關于KEYENCE基恩士壓力傳感器電路內部的(de)七大(da)噪聲

　　電(dian)路(lu)設計是傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)性能(neng)是否(fou)*的關鍵因(yin)素，由于(yu)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)輸(shu)出(chu)端都是很微小的信號，如果因(yin)為(wei)噪聲導致有(you)用的信號被(bei)淹沒，那就得不償失(shi)了，所以(yi)加強傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)電(dian)路(lu)的抗干(gan)擾(rao)設計尤為(wei)重(zhong)要。在(zai)這之前(qian)，我們必須了解傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)電(dian)路(lu)噪聲的來源，以(yi)便找出(chu)更好的方法來降低噪聲。

　　總的來說，傳感器電路噪(zao)聲主要有一下七種：

　　1、低頻噪聲

　　低頻噪聲主(zhu)要是由于(yu)內(nei)部(bu)的(de)(de)導(dao)電(dian)微粒(li)不(bu)連(lian)續造成的(de)(de)。特別(bie)是碳(tan)膜電(dian)阻，其(qi)碳(tan)質材料(liao)內(nei)部(bu)存在許多微小顆粒(li)，顆粒(li)之間是不(bu)連(lian)續的(de)(de)，在電(dian)流(liu)流(liu)過時，會使電(dian)阻的(de)(de)導(dao)電(dian)率(lv)發生變化引起電(dian)流(liu)的(de)(de)變化，產生類似(si)接觸不(bu)良的(de)(de)閃(shan)爆(bao)(bao)電(dian)弧。另外(wai)，晶體管也(ye)可能(neng)產生相似(si)的(de)(de)爆(bao)(bao)裂噪聲和閃(shan)爍(shuo)噪聲，其(qi)產生機理與電(dian)阻中微粒(li)的(de)(de)不(bu)連(lian)續性相近，也(ye)與晶體管的(de)(de)摻雜程度有(you)關。

　　2、半導體器(qi)件產(chan)生的散粒(li)噪聲(sheng)

　　由于(yu)半導體(ti)PN結兩端(duan)勢(shi)壘(lei)區(qu)(qu)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓的(de)變(bian)化引起(qi)累積在此區(qu)(qu)域的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)荷數量改變(bian)，從而顯(xian)現出電(dian)(dian)(dian)(dian)容效應。當(dang)(dang)外加(jia)正(zheng)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓升高時(shi)(shi)，N區(qu)(qu)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)和P區(qu)(qu)的(de)空穴(xue)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)耗(hao)盡區(qu)(qu)運動(dong)，相(xiang)當(dang)(dang)于(yu)對電(dian)(dian)(dian)(dian)容充電(dian)(dian)(dian)(dian)。當(dang)(dang)正(zheng)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓減小時(shi)(shi)，它又使電(dian)(dian)(dian)(dian)子(zi)和空穴(xue)遠離耗(hao)盡區(qu)(qu)，相(xiang)當(dang)(dang)于(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)容放電(dian)(dian)(dian)(dian)。當(dang)(dang)外加(jia)反(fan)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓時(shi)(shi)，耗(hao)盡區(qu)(qu)的(de)變(bian)化相(xiang)反(fan)。當(dang)(dang)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)流(liu)(liu)經勢(shi)壘(lei)區(qu)(qu)時(shi)(shi)，這種變(bian)化會引起(qi)流(liu)(liu)過勢(shi)壘(lei)區(qu)(qu)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)產(chan)生微小波動(dong)，從而產(chan)生電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)(liu)噪(zao)聲(sheng)。其產(chan)生噪(zao)聲(sheng)的(de)大小與(yu)溫度、頻帶(dai)寬度△f成正(zheng)比。

　　3、高頻熱噪聲

　　高(gao)頻熱(re)噪聲是由于(yu)導電(dian)(dian)(dian)體內部電(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)無規則運動(dong)(dong)產(chan)生(sheng)的(de)(de)。溫度越高(gao)，電(dian)(dian)(dian)子(zi)運動(dong)(dong)就越激烈。導體內部電(dian)(dian)(dian)子(zi)的(de)(de)無規則運動(dong)(dong)會(hui)在(zai)其(qi)內部形成很多微小的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流波(bo)動(dong)(dong)，因其(qi)是無序運動(dong)(dong)，故(gu)它的(de)(de)平均(jun)總(zong)電(dian)(dian)(dian)流為(wei)零，但當(dang)它作為(wei)一(yi)個元件(或作為(wei)電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)一(yi)部分)被(bei)接入放(fang)大電(dian)(dian)(dian)路(lu)后，其(qi)內部的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)流就會(hui)被(bei)放(fang)大成為(wei)噪聲源，特別(bie)是對工作在(zai)高(gao)頻頻段內的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)路(lu)高(gao)頻熱(re)噪聲影(ying)響尤甚。

　　通(tong)常在(zai)工頻內(nei)，電(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)熱噪(zao)(zao)聲與通(tong)頻帶(dai)成正比，通(tong)頻帶(dai)越(yue)寬，電(dian)路(lu)(lu)熱噪(zao)(zao)聲的(de)(de)(de)影響就(jiu)越(yue)大。以一個1kΩ的(de)(de)(de)電(dian)阻(zu)為例，如果電(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)通(tong)頻帶(dai)為1MHz，則呈現在(zai)電(dian)阻(zu)兩端的(de)(de)(de)開路(lu)(lu)電(dian)壓(ya)噪(zao)(zao)聲有效值為4μV(設(she)溫度為室(shi)溫T=290K)。看起來噪(zao)(zao)聲的(de)(de)(de)電(dian)動勢并不(bu)大，但假設(she)將其(qi)(qi)接入一個增(zeng)益為106倍的(de)(de)(de)放大電(dian)路(lu)(lu)時，其(qi)(qi)輸出噪(zao)(zao)聲可達4V，這時對電(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)(de)干(gan)擾(rao)就(jiu)很大了。

　　4、電路板(ban)上(shang)的(de)電磁元(yuan)件(jian)的(de)干擾

　　許多電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)板上(shang)都有繼(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)、線(xian)圈等(deng)電(dian)(dian)(dian)(dian)磁元(yuan)件，在電(dian)(dian)(dian)(dian)流通過(guo)時(shi)其(qi)線(xian)圈的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)感和外殼的(de)(de)分布電(dian)(dian)(dian)(dian)容向(xiang)(xiang)周圍輻射能量，其(qi)能量會對(dui)周圍的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)產生(sheng)干(gan)擾。像繼(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)器(qi)等(deng)元(yuan)件其(qi)反(fan)復工作，通斷(duan)電(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)會產生(sheng)瞬間的(de)(de)反(fan)向(xiang)(xiang)高壓，形(xing)成瞬時(shi)浪涌(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)流，這種瞬間的(de)(de)高壓對(dui)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)將產生(sheng)極大的(de)(de)沖擊，從而嚴重干(gan)擾電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)正(zheng)常工作。

　　5、晶體管(guan)的噪(zao)聲

　　晶體管的噪(zao)聲(sheng)(sheng)主要有熱噪(zao)聲(sheng)(sheng)、散粒噪(zao)聲(sheng)(sheng)、閃爍(shuo)噪(zao)聲(sheng)(sheng)。

　　熱(re)噪聲(sheng)是由于載流子不規則的(de)熱(re)運動通過BJT內3個區(qu)的(de)體(ti)電阻及相應(ying)的(de)引線電阻時而產生(sheng)。其中rbb所產生(sheng)的(de)噪聲(sheng)是主要的(de)。

　　通常所說(shuo)的(de)(de)BJT中的(de)(de)電流，只(zhi)是一個平均值。實際上通過發射結(jie)注入到基區(qu)的(de)(de)載(zai)流子(zi)數目，在(zai)各個瞬時都不相同，因而(er)發射極電流或集(ji)電極電流都有無規則的(de)(de)波動，會產生散粒噪(zao)聲。由(you)于半導(dao)體(ti)材料及制造(zao)工(gong)藝水(shui)平使(shi)得(de)晶體(ti)管表(biao)面清潔處理不好而(er)引起的(de)(de)噪(zao)聲稱(cheng)為(wei)閃爍噪(zao)聲。它與半導(dao)體(ti)表(biao)面少數載(zai)流子(zi)的(de)(de)復合有關(guan)，表(biao)現為(wei)發射極電流的(de)(de)起伏，其(qi)電流噪(zao)聲譜密度與頻(pin)率(lv)近似成反比，又稱(cheng)1/f噪(zao)聲。它主要在(zai)低頻(pin)(kHz以下(xia))范圍起主要作(zuo)用。

　　6、電阻器的噪聲

　　電阻(zu)的干擾來自(zi)于電阻(zu)中(zhong)的電感(gan)、電容(rong)效應和(he)電阻(zu)本身的熱噪聲。例如一個阻(zu)值為(wei)R的實芯電阻(zu)，可(ke)等效為(wei)電阻(zu)R、寄(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)電容(rong)C、寄(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)電感(gan)L的串并聯。一般來說，寄(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)電容(rong)為(wei)0.1～0.5pF，寄(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)電感(gan)為(wei)5～8nH。在頻率(lv)高于1MHz時，這些寄(ji)(ji)(ji)生(sheng)(sheng)電感(gan)電容(rong)就(jiu)不可(ke)忽視了(le)。

　　各類(lei)電(dian)(dian)阻都會(hui)產生熱(re)噪(zao)聲，一個阻值為(wei)R的電(dian)(dian)阻(或BJT的體電(dian)(dian)阻、FET的溝道電(dian)(dian)阻)未接(jie)入電(dian)(dian)路(lu)時(shi)，在(zai)頻(pin)(pin)帶寬度B內所產生的熱(re)噪(zao)聲電(dian)(dian)壓為(wei)：熱(re)噪(zao)聲電(dian)(dian)壓本身是(shi)一個非周期變化的時(shi)間函數，因此(ci)，它的頻(pin)(pin)率范圍是(shi)很(hen)寬廣的。所以寬頻(pin)(pin)帶放(fang)大(da)電(dian)(dian)路(lu)受噪(zao)聲的影(ying)響(xiang)比窄(zhai)頻(pin)(pin)帶大(da)。

　　7、另外，電(dian)阻還會產生接觸噪聲(sheng)，其接觸噪聲(sheng)電(dian)壓為

　　式(shi)中：I為流過電阻的(de)電流均方值(zhi);f為中心頻率;k是(shi)與材料的(de)幾何形狀有關(guan)的(de)常數。由于Vc在低(di)頻段起重(zhong)要(yao)的(de)作用，所以它(ta)是(shi)低(di)頻傳感器(qi)電路的(de)主要(yao)噪聲源。

　　8、集成電路的(de)噪聲

　　集成電路(lu)的(de)噪(zao)聲干擾(rao)一(yi)般有兩種(zhong)：一(yi)種(zhong)是輻(fu)射(she)式，一(yi)種(zhong)是傳導式。這(zhe)些噪(zao)聲尖刺對于接在(zai)同一(yi)交流(liu)電網上(shang)的(de)其他(ta)電子設備會產生較大(da)影響。噪(zao)聲頻譜擴展至(zhi)100MHz以(yi)上(shang)。在(zai)實驗室(shi)中，可(ke)以(yi)用高頻示波(bo)(bo)器(100MHz以(yi)上(shang))觀察一(yi)般單片(pian)機系統板上(shang)某(mou)個(ge)集成電路(lu)電源與地引腳之間的(de)波(bo)(bo)形(xing)，會看到(dao)噪(zao)聲尖刺峰-峰值可(ke)達數百毫伏(fu)甚至(zhi)伏(fu)級(ji)。