传感器信号调理电路的噪声优化

摘要:传感器是将非电量转换为电量的装置。输出的信号大小接近于本底噪声,必须对其噪声进行有效处理,提高SNR,而获得高分辨率,不引起信号失真。本文通过放大器,无源元件及带宽的选择,来解决传感器信号调理电路的噪声优化。

关键词:传感器 放大器 噪声

1引言

在信息技术不断发展的今天,获取准确可靠的信息成为做好一切工作的前提。最近20多年传感器技术获得了长足的进步,在国民经济相关领域中应用日益广泛,作为信息的采集和信息的转换的重要部件,是测量和控制系统的首要环节,成为测试计量和工业自动化智能化的关键技术。传感器是一种能按一定规律将各种非电量转换为电信号的装置。而随着模数转换器和数模转换器分辨率的提高以及电源电压的降低,最低有效位(LSB)变得更小,使得信号调理变得更加困难。由于信号大小更接近于本底噪声,因此,必须对外部和内部噪声源(如Johnson噪声、散粒噪声、宽带噪声、闪烁噪声和EMI噪声)进行处理来减小系统噪声,处理传感器产生的小信号,而不引起信号失真。

2 解决途径

图1所示的是典型信号调理电路中的噪声源:

总的输出噪声,即折合到输入端噪声(RTI)由电阻噪声、运算放大器电压和电流噪声组成,公式如下:

NoiseRTI=

在反相和同相配置中,噪声增益(即噪声增大的倍数)都等于1+R2/R1. BW是频带宽度。输出端噪声(RTO)=输入端噪声(RTI)×噪声增益(G)。

一般噪声大小是以输入端噪声(RTI)来衡量的,可以从器件及其特征噪声、阻抗、响应方面考虑,实现最低的折合到输入端噪声(RTI),优化信噪比(SNR)。

为了实现传感器信号调理电路的低噪声,需考虑放大器的工作区:宽带或1/f,挑选合适的有源器件,以及在放大器周围放置无源器件,并限制带宽。分析非噪声需求,如输入阻抗、开环增益和电源电流。可以通过以下途径对传感器信号调理电路的噪声进行优化。

2.1运算放大器的选择

某些情况下,运算放大器的宽带噪声为20 nV/rt-Hz可能优于宽带噪声为10 nV/rt-Hz的器件。当传感器工作在极低的频率下,具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。

2.2无源元件的选择

放大器选择好之后,应在放大器周围放置合适的电阻和电容,而这些元件也有噪声。图2所示的是在增益都是1000情况下使用不同电阻值所造成的影响。输出噪声随着用于设置增益的电阻的增大而增大,所以应选用合适的电阻值。

若忽略R1和R2的噪声,而只考虑源阻抗R3的噪声时,则R3值较小时,放大器的电压噪声占主导地位;当R3值为中等大小时,电阻R3的John噪声占主导;当R3值较大时,流入电阻R3的放大器电流噪声的占主导地位。因此,低输出阻抗的传感器应使用低电压噪声的运算放大器和小电阻。除此之外,电容也能用于补偿和减小噪声。虽然电抗(电容和电感)元件不会增加噪声,但流经它们的噪声电流将产生噪声电压。总之,应在放大器周围使用低阻抗来降低热噪声、电流噪声和电磁干扰(EMI)噪声带来的影响。

2.3带宽选择

在选择好放大器以及相关的电阻和电容后,需要设计合理的频率带宽(BW)。带宽不应设计过宽,足够通过基频和重要的谐波即可。选择具有足够带宽的放大器,在其后放置RC滤波器。放大器和电阻在带宽范围内都有噪声,因此,带宽越大,输出噪声越大,信噪比(SNR)越低。图3所示的是在具有相同配置的电路中使用具有不同带宽的放大器时,放大器带宽与噪声之间的关系。为限制附加的噪声,带宽应该尽可能的窄。

图2相同增益下不同阻值的输出噪声图3不同带宽放大器的输出噪声

在传感器之后使用RC滤波器来限制带宽。如图4所示,放大器带宽为300MHz,输入噪声电压频谱密度为10nV/和ADC具有170μV rms的噪声。在运算放大器之后增加RC滤波器后(R=50,C=100pf),将产生50MHz的有效带宽,能把噪声降低到70μV rms。

BW(噪声带宽)= =50MHz,有效输入噪声=10nV/×=70uV。可知,使用正确的RC滤波电路减小带宽能有效提高SNR。

图5是实际运用中采用三个运算放大器构成的高精度传感器的接口电路:

3 结语

传感器是采集和信息的转换的重要部件。每个传感器都有其噪声、阻抗和响应特性。应了解噪声源,合理选择器件,带宽,分析非噪声需求。实现传感器信号调理电路的低噪声,获得最佳SNR,处理传感器产生的小信号获得高分辨率。

参考文献:

[1]王雪文,张志勇.传感器原理及应用.北京航空航天大学出版社.2004.

[2]李希文,赵建.传感器与信号调理技术.西安电子科技大学出版社.2008.

[3]周继明,汪世明.传感器技术与应用.中南大学出版社.2005.

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