1 引 言
傳感器作為自控系統(tǒng)的前沿哨兵，猶如電子眼一般將被測信息接收并轉(zhuǎn)換為有效的電信號，但同時，一些無用信號也攙雜在其中。這些無用信號我們統(tǒng)稱為噪聲。
應該說，噪聲存在于任何電路之中，但它對傳感器電路的影響卻尤為突出。這是因為，傳感器的輸出阻抗一般都很高，使其輸出信號衰減厲害，同時，傳感器自容易被噪聲信號淹沒。因此，噪聲的存在必定影響傳感器的精度和分辨率，而傳感器又是檢測自控系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，于是勢必影響整個自控系統(tǒng)的性能。
由此，噪聲的研究是傳感器電路設計中必須考慮的重要環(huán)節(jié)，只有有效地抑制、減少噪聲的影響才能有效利用傳感器，才能提高系統(tǒng)的分辨率和精度。
但噪聲的種類多，成因復雜，對傳感器的干擾能力也有很大差異，于是抑制噪聲的方法也不同。下面就傳感器的噪聲問題進行較全面的研究。
2 傳感器的噪聲分析及對策
傳感器噪聲的產(chǎn)生根源按噪聲源分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。
2．1 內(nèi)部噪聲——來自傳感器件和電路元件的噪聲
2．1．1 熱噪聲
熱噪聲的發(fā)生機理是，電阻中自由電子做不規(guī)則的熱運動時產(chǎn)生電位差的起伏，它由溫度引發(fā)且與之呈正比，由下面的奈奎斯特公式表示：
其中，Vn：噪聲電壓有效值；K：波耳茲曼常數(shù)（1．38×10－23J·K－1）；T：絕對溫度（K）；B：系統(tǒng)的頻帶寬度（Hz）；R：噪聲源阻值（Ω）。
噪聲源包括傳感器自身內(nèi)阻，電路電阻元件等。
由公式（1）可見，熱噪聲由于來自器件自身，從而無法根本消除，宜盡可能選擇阻值較小的電阻。
同時，熱噪聲與頻率大小無關(guān)，但與頻帶寬成正比，即，對應不同的頻率有均勻功率分布，故，也稱白噪聲。因此，選擇窄頻帶的放大器和相敏檢出器可有效降低噪聲。
2．1．2 放大器的噪聲
2．1．3 散粒噪聲
散粒噪聲的噪聲源為晶體管，其機理是由到達電極的帶電粒子的波動引起電流的波動形成的。噪聲電流In與到達電極的電流Ic及頻帶寬度B成正比，可表示為：
由此可見，使用雙極型晶體管的前置放大器來放大傳感器的輸出信號的場合，選Ic取值盡可能小。同時，也可選擇窄頻帶的放大器降低散粒噪聲電流。
2．1．4 1／f噪聲
1／f噪聲和熱噪聲是傳感器內(nèi)部的主要噪聲源，但其產(chǎn)生機理目前還有爭議，一般認為它是一種體噪聲，而不是表面效應，源于晶格散射引起。在晶體管的P－N附近是電子－空穴再復合的不規(guī)則性產(chǎn)生的噪聲，該噪聲的功率分布與頻率成反比，并由此而得名。其噪聲電壓表示為：
Hooge還在1969年提出了一個解釋1／f噪聲的經(jīng)驗公式：
式中，SRH和SVH為相應于電阻起伏和電壓起伏的功率噪聲密度，V為加在R上的偏壓，N為總的自由載流子數(shù)，α叫Hooge因子，是一個與器件尺寸無關(guān)的常數(shù)，它是一個判斷材料性能的重要參數(shù)。
對于矩形電阻，總的自由載流子數(shù)N＝PLWH，其中，P為載流子濃度，L、W、H為電阻的長、寬、厚。
因此，我們可以得出：1／f噪聲與力敏電阻的幾何參數(shù)有關(guān)，一般對某確定的材料，擴大電阻面積可以使N增加、減小1／f噪聲。同時，實驗表明：一味增加尺寸將降低靈敏度，增加噪聲譜振動幅度，而選L／W＝10，L在100μm～200μm較合適。
同時，1／f噪聲與材料也有關(guān)。實驗表明：單晶硅明顯好于微晶硅，而微晶硅略好于多晶硅。主要原因在于，單晶硅具有較完整的晶格結(jié)構(gòu)。材料因數(shù)引起的1／f噪聲除了晶格缺陷外，材料中的氫原子或原子團的移動和晶粒的邊界也是引起1／f噪聲的另一個主要原因。
由以上公式可知，載流子濃度與1／f噪聲成反比，而不同的摻雜濃度對應著不同的載流子濃度，因此摻雜濃度也是影響1／f噪聲的因數(shù)。實驗表明，摻雜濃度每增加10倍，1／f噪聲降低36％～50％，但最佳攙雜濃度一般選為5×1015cm－2。
2．1．5 開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲
一般在使用模擬多路開關(guān)使眾多的傳感器輸出交替使用一個放大器電路的場合（如MOS型圖像傳感器），開關(guān)的開、合產(chǎn)生相應的噪聲干擾，而疊加到輸出信號中。
對開關(guān)噪聲的抑止通常用設置相應的偽傳感器電路的方法。
2．2 外部噪聲
外部噪聲是由傳感器電路外的人為或自然干擾造成的。主要原因就是電磁輻射。其噪聲源十分廣泛，幾乎包括所有的電氣、電力機械，還有雷電、大氣電離等自然現(xiàn)象，同時，系統(tǒng)中的模數(shù)部分有公共接地、公共電源時，數(shù)字信號的頻繁電流變化在模擬電路中產(chǎn)生噪聲，它們通過靜電耦合、電磁耦合和漏電電流等形式存在于傳感器的電路中，如圖1所示。
2．2．3 隔 離
隔離是為了將前后兩個電路的信號接地端從電路上隔開，因為它們?nèi)菀仔纬森h(huán)路電流，引起噪聲干擾。隔離的主要方法是采用變壓器和光電耦合器。變壓器隔離只適用于交流電路，在直流或超低頻測量系統(tǒng)中，常采用光電耦合隔離。
2．2．4 輸出線、電源線、配線、布線的要求
傳感器的輸出線應相互扭絞，以減少外界磁力線的影響。同時，輸出線盡可能短些。
如噪聲電流流入電源線和配線，就會放射噪聲磁場，也會受噪聲源的電磁場感應拾取噪聲，即容易起噪聲的發(fā)送和接收作用。因此，必須使各配線不具備天線效應。雙股線和絞線可消磁場，但不能完全消除靜電效應。同軸電纜就可同時消除電磁場。
環(huán)狀布線時，與環(huán)狀交叉的磁力線所引起的電動勢會產(chǎn)生噪聲。因此，布線應盡可能使電流的進出導線不靠近且呈扭絞狀。
平衡－不平衡變壓器對共模噪聲呈高阻抗，對正常噪聲呈低阻抗，從而在從不平衡布線至絞線所引起的平衡布線的過程中吸收了噪聲。
2．3 降低噪聲的信號處理電路
傳感器電路首先需要將采樣的微弱信號進行放大。但同時并存許多噪聲源：傳感器內(nèi)阻、電纜電阻、放大器電路以及電路周圍的電磁干擾源。因此，通常用低通濾波器和差分放大器等來抑制差模噪聲和共模噪聲（如圖3所示）。
2．3．3 相位檢波電路
在預知信號為周期性時，可采取與信號周期同步地取樣輸出以提高信噪比。雖然噪聲是隨機的，但經(jīng)N次取樣后，信噪比可改善N1／2倍。其原理圖如圖7所示。
若信號和開關(guān)周期T，一周期中關(guān)閉時間為ΔT，在τ＝CR》T的條件下，電容二端的噪聲電壓為：
2.3.4 數(shù)字信號處理
數(shù)字信號處理技術(shù)(DSP)利用微計算機、單片機、DSP芯片等硬件，以數(shù)值計算為基礎(chǔ)編寫軟件來實現(xiàn)對信號的處理。它具有精確、抗干擾強、速度快等優(yōu)點，是模擬信號處理技術(shù)無法比擬的。作為一門新興學科，數(shù)字信號處理技術(shù)在信息時代得以迅速發(fā)展，成為傳感系統(tǒng)濾波的又一先進方法。
3 結(jié)束語
傳感器的噪聲抑制了其精度的有效實現(xiàn)，成為傳感器電路不得不重視的問題。但通過對傳感器噪聲源的分析，完全可以用相應的方法和信號處理電路來進行有效的抑制，保證傳感器正常工作。