電子電路設計解惑篇，如何解決傳感器電子電路設計中的幹擾問題(上)

電子電路設計應用廣泛，對于電子電路設計，很多朋友都存在濃厚興趣。在進行電子電路設計過程中，設計人員總會遇到各種電子電路設計難點，如幹擾。為幫助大家提供解決電子電路設計中的抗幹擾設計問題，本文将對基于傳感器電子電路的抗幹擾問題予以解析。如果你對本文即将探讨的内容存在一定興趣，不妨繼續往下閱讀哦。

盡量消除或抑制電子電路的幹擾是電路設計和應用始終需要解決的問題，本文僅為上篇，中篇和下篇請參閱後期相關文章。

傳感器電路通常用來測量微弱的信号，具有很高的靈敏度，如果不能解決好各類幹擾的影響，将給電路及其測量帶來較大誤差，甚至會因幹擾信号淹沒正常測量信号而使電路不能正常工作。

在此，研究了傳感器電路設計時的内部噪聲和外部幹擾，并得出采取合理有效的抗幹擾措施，能確定電路正常工作，提高電路的可靠性、穩定性和準确性。

傳感器電路通常用來測量微弱的信号，具有很高的靈敏度，但也很容易接收到外界或内部一些無規則的噪聲或幹擾信号，如果這些噪聲和幹擾的大小可以與有用信号相比較

那麼在傳感器電路的輸出端有用信号将有可能被淹沒，或由于有用信号分量和噪聲幹擾分量難以分辨，則必将妨礙對有用信号的測量。

是以在傳感器電路的設計中，往往抗幹擾設計是傳感器電路設計是否成功的關鍵。

1 傳感器電路的内部噪聲

1.1 高頻熱噪聲

高頻熱噪聲是由于導電體内部電子的無規則運動産生的。

溫度越高，電子運動就越激烈。導體内部電子的無規則運動會在其内部形成很多微小的電流波動，因其是無序運動，故它的平均總電流為零，但當它作為一個元件(或作為電路的一部分)被接入放大電路後，其内部的電流就會被放大成為噪聲源，特别是對工作在高頻頻段内的電路高頻熱噪聲影響尤甚。

通常在工頻内，電路的熱噪聲與通頻帶成正比，通頻帶越寬，電路熱噪聲的影響就越大。在通頻帶△f内，電路熱噪聲電壓的有效值：

傳感器電路抗幹擾設計方案

以一個1 kΩ的電阻為例，如果電路的通頻帶為1 MHz，則呈現在電阻兩端的開路電壓噪聲有效值為4μV(設溫度為室溫T=290 K)。

看起來噪聲的電動勢并不大，但假設将其接入一個增益為106倍的放大電路時，其輸出噪聲可達4 V，這時對電路的幹擾就很大了。

1.2 低頻噪聲

低頻噪聲主要是由于内部的導電微粒不連續造成的。

特别是碳膜電阻，其碳質材料内部存在許多微小顆粒，顆粒之間是不連續的，在電流流過時，會使電阻的導電率發生變化引起電流的變化，産生類似接觸不良的閃爆電弧。

另外，半導體也可能産生相似的爆裂噪聲和閃爍噪聲，其産生機理與電阻中微粒的不連續性相近，也與半導體的摻雜程度有關。

1.3 半導體器件産生的散粒噪聲

由于半導體PN結兩端勢壘區電壓的變化引起累積在此區域的電荷數量改變，進而顯現出電容效應。

當外加正向電壓升高時，N區的電子和P區的空穴向耗盡區運動，相當于對電容充電。當正向電壓減小時，它又使電子和空穴遠離耗盡區，相當于電容放電。

當外加反向電壓時，耗盡區的變化相反。當電流流經勢壘區時，這種變化會引起流過勢壘區的電流産生微小波動，進而産生電流噪聲。其産生噪聲的大小與溫度、頻帶寬度△f成正比。

1.4 電路闆上的電磁元件的幹擾

許多電路闆上都有繼電器、線圈等電磁元件，在電流通過時其線圈的電感和外殼的分布電容向周圍輻射能量，其能量會對周圍的電路産生幹擾。

像繼電器等元件其反複工作，通斷電時會産生瞬間的反向高壓，形成瞬時浪湧電流，這種瞬間的高壓對電路将産生極大的沖擊，進而嚴重幹擾電路的正常工作。

1.5 電阻器的噪聲

電阻的幹擾來自于電阻中的電感、電容效應和電阻本身的熱噪聲。

例如一個阻值為R的實芯電阻，可等效為電阻R、寄生電容C、寄生電感L的串并聯。

一般來說，寄生電容為0.1～0.5 pF，寄生電感為5～8 nH。在頻率高于1 MHz時，這些寄生電感電容就不可忽視了。

各類電阻都會産生熱噪聲，一個阻值為R的電阻(或BJT的體電阻、FET的溝道電阻)未接入電路時，在頻帶寬度B内所産生的熱噪聲電壓為：

傳感器電路抗幹擾設計方案

式中：k為玻爾茲曼常數;T是絕對溫度(機關：K)。熱噪聲電壓本身是一個非周期變化的時間函數，是以，它的頻率範圍是很寬廣的。是以寬頻帶放大電路受噪聲的影響比窄頻帶大。

另外，電阻還會産生接觸噪聲，其接觸噪聲電壓為：

傳感器電路抗幹擾設計方案

式中：I為流過電阻的電流均方值;f為中心頻率;k是與材料的幾何形狀有關的常數。由于Vc在低頻段起重要的作用，是以它是低頻傳感器電路的主要噪聲源。

1.6 半導體的噪聲

半導體的噪聲主要有熱噪聲、散粒噪聲、閃爍噪聲。

熱噪聲是由于載流子不規則的熱運動通過BJT内3個區的體電阻及相應的引線電阻時而産生。其中rbb'所産生的噪聲是主要的。

通常所說的BJT中的電流，隻是一個平均值。實際上通過發射結注入到基區的載流子數目，在各個瞬時都不相同，因而發射極電流或集電極電流都有無規則的波動，會産生散粒噪聲。

由于半導體材料及制造技術水準使得半導體表面清潔處理不好而引起的噪聲稱為閃爍噪聲。

它與半導體表面少數載流子的複合有關，表現為發射極電流的起伏，其電流噪聲譜密度與頻率近似成反比，又稱1/f噪聲。它主要在低頻(kHz以下)範圍起主要作用。

1.7 內建電路的噪聲

內建電路的噪聲幹擾一般有兩種：一種是輻射式，一種是傳導式。這些噪聲尖刺對于接在同一交流電網上的其他電子裝置會産生較大影響。噪聲頻譜擴充至100 MHz以上。

在實驗室中，可以用高頻示波器(100 MHz以上)觀察一般單片機系統闆上某個內建電路電源與地引腳之間的波形，會看到噪聲尖刺峰-峰值可達數百毫伏甚至伏級。

2 傳感器電路的外部幹擾

2.1 電源的幹擾

大多數電子電路的直流電源是由電網交流電源經濾波、穩壓後提供的。如果電源系統沒有經過淨化，會對測試系統産生幹擾。

同時，在傳感器測試系統附近的大型交流電力裝置的啟停将産生頻率很高的浪湧電壓疊加在電網電壓上。

此外，雷電感應也會在電網上産生幅值很高的高頻浪湧電壓。如果這些幹擾信号沿着交流電源線進入傳感器接口電路内部，将會幹擾其正常工作，影響系統的測試精度。

2. 2 地線的幹擾

傳感器接口各電路往往共用一個直流電源，或者雖然不共用一個電源，但不同電源之間往往共一個地，是以，當各部分電路的電流均流過公共地電阻(地線導體阻)時便會産生電壓降，該電壓降便成為各部分之間互相影響的噪聲幹擾信号。

同時，在遠距離測量中，傳感器和檢測儀表在兩處分别接地，于是在兩“地”之間就存在較大的接地電位差，在儀表的輸入端易形成共模幹擾電壓。

共模幹擾的來源一般是裝置對地漏電、地電位差、線路本身具有對地幹擾等。由于線路的不平衡狀态，共模幹擾會轉換成常模幹擾，較難除掉。

2.3 信号通道的幹擾

通常傳感器設在生産現場，而顯示、記錄等測量裝置安裝在離現場有一定距離的控制室内，這樣需要很長的信号傳輸線，信号在傳輸的過程中很容易受到幹擾，導緻所傳輸的信号發生畸變或失真。

長線信号傳輸所遇到的幹擾有：

(1)周圍空間電磁場對長線的電磁感應幹擾。

(2)信号線間的串擾。當強信号線(或信号變化速度很快的線)與弱信号線靠得很近時，通過線間分布電容和互感産生線間幹擾。

(3)長線信号的地線幹擾。信号線越長，則信号地線也越長，即地線電阻較大，形成較大的電位差。

2.4 空間電磁波的幹擾空間電磁波幹擾主要有：

(1)雷電、大氣層的電場變化、電離層變化及太陽黑子的電磁輻射等;

(2)區域空間中通信裝置、電視、雷達等通過天線發射強烈的電磁波;

(3)局部空間電磁波對電路、裝置産生的幹擾，如氖燈、熒光燈等氣體放電設施産生的輝光放電幹擾，弧光放電産生的電波形成的幹擾。