詳細分析了傳感器電路的噪聲源，給出了實際的解決方法如屏蔽、隔離等，以及濾波、檢波等信號處理電路。

　　關鍵詞：傳感器，噪聲，信號處理

　　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

　　傳感器噪聲的產生根源按噪聲源分為內部噪聲和外部噪聲。

　　2.1　內部噪聲——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，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部的主要噪聲源，但其產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，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。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構。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　開關器件產生的噪聲

　　一般在使用模擬多路開關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)，開關的開、合產生相應的噪聲干擾，而疊加到輸出信號中。