(Part2)传感器电路的低噪声信号调理
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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。
传感与控制-传感器电路的低噪声信号调理
1 前言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，这使得信号调理任务变得更加困难。
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（包括Johnson 、散粒、宽带、闪烁和EMI ）进行处理。
不相关的噪声源采用平方根和(RSS)的形式进行叠加：(1)另一方面，其它相关噪声源，如输入偏置电流消除等，必须采用带有相关因子的RSS形式进行叠加。
(2)图1 所示的是典型信号调理电路中的噪声源，以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。
2正确的设计方法从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入传感器电路的低噪声信号调理Reza Moghimi ADI公司摘 要： 文章讨论了传感器的噪声，详细介绍了降低噪声具体方案，如运算放大器的选择、轨到轨输入、偏置电流消除、无源元件选择、带宽选择等等。
关键词： 传感器，噪声，运算放大器，带宽图 1 噪声源包含运算放大器的输入电压噪声和输入电流噪声，以及外部电阻的Johnson噪声。
手，实现最低的折合到输入端(RTI)噪声将能够优化信噪比(SNR)。
与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比，围绕着低噪声来解决问题将更加有效。
这是一个重复的过程，首先考虑放大器的工作区：宽带或1/f 。
接着，挑选合适的有源器件，设计最佳的噪声特性。
在放大器周围放置无源器件，并限制带宽。
然后分析非噪声需求，如输入阻抗、电源电流和开环增益。
如果没有达到噪声指标，则重复这一过程，直到获得可以接受的解决方案为止。
3运算放大器的选择在一些情况下，宽带噪声为22nV/的运算放大器可能优于宽带噪声为10nV/的器件。
如果传感器工作在极低的频率下，那么，具有低1/f 噪声的放大器可能是最好的。
ADI 公司的OP177等标准放大器的噪声频谱密度类似于图2(a)的曲线。
而自稳零放大器能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。
传感器与信号调理电路PPT课件
测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感 器及相应的信号调理电路。
同一传感器可以用于不同的工业系统。
22.11.2020
西安交通大学工程训练中心
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典型测量系统的组成
直流电源
现场 物理量
2
传感器
被测量
物理量 化学量 生物学量
传感器
可用信号
传感器定义：能感受某种信息（被测量），并 按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；
可用信号：某一定场合中便于传输和处理且可以使用 的信号，常是电量。
传感器的本质：将被测量从一种能量形式转换 成另一种能量形式，并作为可用信号输出；
狭义的传感器：被测量电信号； 传感器是工业系统的感官，获取工业系统中的
由于集成运放具有性能稳定、可靠性高、寿命长、 体积小、重量轻、耗电量少等优点，得到了广泛 的应用；
注意：集成运算放大器是一个有源器件。
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运算放大器
运算放大器的符号以及常见的运算放大器：
E+
V+
-
V-
+
Vo
E-
OP07
+V 8765
-
_
OP07 +
+
万用表：最方便的检测仪器
可测量电压、电流、电阻、电容、电感、温度……
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集成运算放大器
集成运算放大器是一种高放大倍数的直接耦合放 大器件；
完成信号放大、信号运算（加、减、乘、除、对 数、反对数、平方、开方等）、信号处理（滤波、 调制等）以及波形的产生和变换等功能；
改善传感器误操作的静噪对策
改善传感器误操作的静噪对策
此篇为静噪对策事例，以“车载设备用的传导抗扰度规定BCI测试”为设想来介绍。
将传感器误操作发生的情况对电源线和信号线的噪声影响分别来研究一下对策和效果。
电源线的静噪对策事例
传感器的电源线受噪声影响，会发生传感器输出值的异常（输出误差）。
将注入电源线的噪声级固定，对对策前后的输出误差的大小进行调查。
传感器输出值发生误操作的起因是“电源线的常态噪声”，在传感器附近插入0.1uF的低ESL电容器。
这样一来，传感器的输出误差降到了1%以下。
传感器电路中的噪声滤除技术
传感器电路中的噪声滤除技术在传感器电路中，噪声是一个常见的问题，它可以干扰传感器的准确性和可靠性。
因此，噪声滤除技术在电路设计中起着至关重要的作用。
本文将探讨传感器电路中常用的噪声滤除技术以及它们的原理和应用。
噪声是在传感器电路中产生的不希望的随机信号。
它可以来自不同的来源，比如电源干扰、环境电磁场影响、器件非线性等。
噪声信号在传感器电路中叠加在被测信号上，影响传感器的测量精度和可靠性。
因此，为了获得准确的测量结果，需要采取噪声滤除技术来去除这些干扰信号。
常用的噪声滤除技术之一是滤波器。
滤波器可以根据频率的不同对信号进行处理，从而去除不需要的频率成分。
在传感器电路中，低通滤波器是最常用的滤波器类型之一。
该滤波器可以通过将高频成分滤除掉，只保留低频部分，从而滤除高频噪声。
另外，高通滤波器可以滤除低频噪声。
如果在传感器应用中仅需要某个特定频率范围内的信号，可以使用带通滤波器来选择性地滤除其他频率范围的噪声。
除了滤波器外，还有一些其他的噪声滤除技术可供选择。
一种常见的技术是采样平均。
该技术通过对多次采样数据进行平均来减小噪声的影响。
通过增加采样次数，可以提高信号的信噪比，从而达到更好的测量精度。
此外，可以使用数字滤波技术对传感器信号进行处理。
数字滤波器可以通过数字算法对信号进行处理，具有高度的灵活性和可调性。
通过在数字域对信号进行处理，可以更精确地控制滤波效果。
在应用中，具体的噪声滤除技术选择取决于所测量信号的特点和噪声的产生机制。
例如，在温度传感器应用中，传感器的输出信号往往包含较高的噪声。
为了减小噪声的影响，可以采用低通滤波器来滤除高频噪声。
对于需要高测量精度的应用，常常采用滤波器和采样平均技术的组合来取得更好的效果。
值得注意的是，滤波器的选择和参数设置需要根据具体应用的要求进行调整和优化，以实现最佳的滤波效果。
除了上述提到的噪声滤除技术，还有一些其他的技术可以用于传感器电路中的噪声滤除。
例如，信号调理电路可以通过增加增益、调整增益的带宽等方式对信号进行处理，从而减小噪声的影响。
降低传感器电路噪声及干扰措施传感器
降低传感器电路噪声及干扰措施 - 传感器传感器电路的噪声及干扰来源传感器电路很简洁接收到外界或内部一些无规章的噪声或干扰信号，假如这些噪声和干扰的大小可以与有用信号相比较，那么在传感器电路的输出端有用信号将有可能被沉没，或由于有用信号重量和噪声干扰重量难以辨别，则必将阻碍对有用信号的测量。
所以在传感器电路的设计中，往往抗干扰设计是传感器电路设计是否成功的关键。
1传感器电路的内部噪声1.1低频噪声低频噪声主要是由于内部的导电微粒不连续造成的。
特殊是碳膜电阻，其碳质材料内部存在很多微小颗粒，颗粒之间是不连续的，在电流流过时，会使电阻的导电率发生变化引起电流的变化，产生类似接触不良的闪爆电弧。
另外，晶体管也可能产生相像的爆裂噪声和闪烁噪声，其产生气理与电阻中微粒的不连续性相近，也与晶体管的掺杂程度有关。
1.2半导体器件产生的散粒噪声由于半导体PN结两端势垒区电压的变化引起累积在此区域的电荷数量转变，从而显现出电容效应。
当外加正向电压上升时，N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动，相当于对电容充电。
当正向电压减小时，它又使电子和空穴远离耗尽区，相当于电容放电。
当外加反向电压时，耗尽区的变化相反。
当电流流经势垒区时，这种变化会引起流过势垒区的电流产生微小波动，从而产生电流噪声。
其产生噪声的大小与温度、频带宽度△f成正比。
1.3高频热噪声高频热噪声是由于导电体内部电子的无规章运动产生的。
温度越高，电子运动就越激烈。
导体内部电子的无规章运动会在其内部形成很多微小的电流波动，因其是无序运动，故它的平均总电流为零，但当它作为一个元件(或作为电路的一部分)被接入放大电路后，其内部的电流就会被放大成为噪声源，特殊是对工作在高频频段内的电路高频热噪声影响尤甚。
通常在工频内，电路的热噪声与通频带成正比，通频带越宽，电路热噪声的影响就越大。
以一个1kΩ的电阻为例，假如电路的通频带为1MHz，则呈现在电阻两端的开路电压噪声有效值为4μV(设温度为室温T=290K)。
电路中的传感器与信号调理技术
电路中的传感器与信号调理技术现代社会的发展离不开科技的进步和创新。
在各个领域中，电路的应用越来越广泛。
而在电路中，传感器和信号调理技术起着至关重要的作用。
本文将着重讨论电路中的传感器和信号调理技术的应用。
一、传感器的作用传感器是电路中的重要组成部分，它能够将感知到的现实世界信息转化为电信号，为电路系统提供输入。
不同类型的传感器有着各自独特的功能和用途。
例如，温度传感器可以感知环境的温度变化，而压力传感器则可以感知物体所受到的压力大小。
传感器的应用领域非常广泛。
在环境监测方面，传感器可以用于测量空气质量、水质状况等。
在工业生产中，传感器可以用于物流仓储、自动化生产等领域。
传感器的作用不仅仅局限于生活和工业领域，还涉及医疗、农业等多个领域。
可以说，传感器已经渗透到了我们生活的方方面面。
二、传感器的种类传感器的种类繁多，按照不同的物理量可以被分为温度传感器、压力传感器、湿度传感器、光照传感器等。
其中最常用的传感器是温度传感器，它可以测量环境的温度，用于室内温控、温度报警等方面。
不同类型的传感器也有不同的工作原理。
以温度传感器为例，它常见的工作原理有热敏电阻式、电动势式和非接触式等。
热敏电阻式温度传感器利用温度对电阻值的影响进行测量。
而电动势式温度传感器则是通过测量温度对某些电特性的影响来实现测量。
三、信号调理技术在电路中，传感器产生的信号往往比较微弱和不稳定，需要经过信号调理来提高其可靠性和精确性。
信号调理技术能够将传感器信号进行放大、滤波、增强等处理，以适应电路系统的需求。
信号调理技术主要包括放大、滤波和模数转换等步骤。
放大可以提高信号的幅值和增益，使其能够更好地传递和处理。
滤波则通过去除噪声、抑制干扰等方式，提高信号的准确性和稳定性。
模数转换则是将模拟信号转换为数字信号，并进行数字化处理。
模数转换是现代传感器与控制系统之间的桥梁，广泛应用于自动化控制领域。
它可以将传感器的输出信号转换为计算机可以理解和处理的数字信号，从而实现更高精度的测量和控制。
传感器电路中的低噪声放大器设计技巧
传感器电路中的低噪声放大器设计技巧在传感器电路设计中，低噪声放大器的设计是至关重要的。
噪声是电路中不可避免的存在，它会干扰传感器信号的准确检测。
因此，为了提高传感器系统的性能和精度，必须采取一些有效的技巧来设计低噪声放大器。
本文将讨论一些常用的低噪声放大器设计技巧。
首先，选择合适的放大器结构是设计低噪声放大器的关键。
不同的放大器结构有不同的噪声系数。
常见的放大器结构包括差动放大器、共源放大器和共栅放大器等。
差分放大器具有较低的噪声系数和较高的公模抑制比，适用于对共模干扰具有较高要求的应用。
共源放大器具有较高的增益和较低的输入电阻，适用于将传感器的输出信号放大到额定范围的应用。
共栅放大器具有较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，适用于对输入信号电压要求较高的应用。
根据具体的应用需求和传感器特性，选择合适的放大器结构是设计低噪声放大器的首要任务。
其次，选择合适的传输线和接地技巧也是设计低噪声放大器的重要步骤。
传输线和接地的设计对电路的噪声性能有很大的影响。
传输线的长度、宽度和材料都会影响信号的传输质量和噪声干扰。
合理选择传输线的参数可以降低传感器信号的噪声干扰。
此外，良好的接地技巧可以有效地减少噪声的传播和干扰。
布线时要注意减少回路长度、降低环路面积、避免共模回路等，以提高信号的纯净度和准确性。
第三，选择低噪声元器件也是设计低噪声放大器的重要因素之一。
在传感器电路中，选择具有低噪声特性的元器件可以有效降低电路的噪声水平。
例如，选择低噪声放大器芯片、低噪声电容和电阻等元器件。
此外，还可以采取一些降噪的手段，如使用滤波器来滤除高频噪声、使用屏蔽罩来阻挡外界电磁干扰等。
选择低噪声元器件和采取降噪措施可以显著提高传感器电路的信噪比和精度。
此外，合理选择工作点和增益参数也是设计低噪声放大器的关键。
工作点是指放大器的直流偏置电压和电流。
选择合适的工作点可以减小偏置电流引起的热噪声和偏置电压引起的漂移。
增益参数是指放大器的增益大小。
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(Part 2)传感器电路的低噪声信号调理作者：Reza Moghimi reza.moghimi@ADI 公司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，这使得信号调理任务变得更加困难。
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（包括Johnson 、散粒、宽带、闪烁和EMI ）进行处理。
不相关的噪声源采用和的平方根（RSS ）的形式进行叠加：另一方面，其它相关噪声源，如输入偏置电流消除等，必须采用带有相关因子的RSS 形式进行叠加。
图1所示的是典型信号调理电路中的噪声源，以及可用于反相、同相、差分及其它通用配置的通用公式。
图1：噪声源包含运算放大器的输入电压噪声和输入电流噪声，以及外部电阻的Johnson噪声。
GainNoise Noise V Noise f BW R R Gain Noise RTI out BWloop closed _*_@_57.11___12==+=221122212122322122132][4]*[][44R R R KTR R R R R In R In R R R KTR KTRVn BW NoiseRTI++++++++=−+正确的设计方法从传感器及其特征噪声、阻抗、响应和信号幅度入手，实现最低的折合到输入端（RTI）噪声将能够优化信噪比（SNR）。
与先解决增益和功耗需求、然后再努力应对噪声问题的方法相比，围绕着低噪声来解决问题将更加有效。
这是一个重复的过程，首先考虑放大器的工作区：宽带或1/f。
接着，挑选合适的有源器件，设计最佳的噪声特性。
在放大器周围放置无源器件，并限制带宽。
然后分析非噪声需求，如输入阻抗、电源电流和开环增益。
如果没有达到噪声指标，则重复这一过程，直到获得可以接受的解决方案为止。
运算放大器的选择在一些情况下，宽带噪声为22 nV/rt-Hz的运算放大器可能优于宽带噪声为10 nV/rt-Hz的器件。
如果传感器工作在极低的频率下，那么，具有低1/f噪声的放大器可能是最好的。
ADI公司的OP177等标准放大器的噪声频谱密度类似于图2左侧的曲线。
而自稳零放大器能连续校准输入端随时间和温度的变化而出现的任意误差。
由于1/f噪声渐进的逼近直流，放大器也能校准这一误差。
图2中间的图示出，第一代自稳零放大器不表现出1/f噪声，因而适用于低频传感器信号调理。
图2右侧的图示出，第二代自稳零放大器具有较低的宽带噪声（22 nV/rt-Hz），通过PSpice宏模型能精确的仿真放大器电压噪声，显示出1/f噪声已被消除。
图2：ADI 公司的OP177和AD707等标准放大器在低频表现出1/f 噪声（a ）。
ADI 公司的AD8551/52/54等自稳零（斩波）放大器没有1/f 噪声（b ）。
PSpice 能对AD8638自动调零放大器的行为进行精确建模（c ）。
图中：NOISE: BIPOLAR VS. CHOPPER AMPLIFER-噪声：双极性与斩波放大器的比较；INPUT VOLTAGE NOISE-输入电压噪声；BIPOLAR-双极性；CORNER-拐点；FREQUENCY-频率；Chopper-斩波；NOISE BW ：噪声带宽轨到轨输入对于低压设计来说，轨到轨（RR ）输出和输入可能是适合的。
当共模输入从一条轨转到另一条轨时，一个差分输入对停止工作，另一个差分输入对则接着工作。
失调电压和输入偏置电流可能突然变化，引起如图3所示的失真。
对于低噪声设计来说，请检查对轨到轨输入特性的需求。
图3：当共模输入电压改变时，轨到轨放大器的输入失调电压会急剧变化。
AD8638 PSpice图中：COMMON-MODE VOLTAGE-共模电压；OFFSET VOLTAGE-失调电压为了解决这个问题，ADI 公司的AD8506等运算放大器使用内部电荷泵来消除输入电压交越失真。
如果设计不正确，而使电荷泵产生的噪声落入有用频带时，这些噪声将会出现在输出端，引起问题。
请在输出引脚使用频谱分析仪来确保时钟幅度远低于信号幅度。
偏置电流消除最新的双极性运算放大器使用一种技术来消除输入偏置电流造成的部分影响，这个技术会增加不相关或相关的电流噪声。
对于一些放大器来说，相关噪声可能大于不相关噪声。
例如，为ADI 公司的OP07增加阻抗平衡电阻，就能改进整体噪声。
表1比较了ADI 公司两款广泛应用的运算放大器，一款是用较高电压噪声换取较低电流噪声的OP07，另一款是OP27。
参数 条件 OP07E OP27E 单位输入失调电流0.5 7.0 nA 输入偏置电流±1.2 ±10 nA 输入噪声电压 0.1 Hz 至 10 Hz 0.35 0.08μV p-p 输入噪声电压密度f = 1 kHz 9.6 3.0 nV/√Hz 输入噪声电流密度f = 1 kHz 0.12 0.4 pA/√Hz 表 1从可获得的低噪声器件中选择三到四个器件。
考虑工艺技术，寻找自稳零、斩波和偏置电流消除等专业设计技术。
从晶圆照片查看输入晶体管区域，请记住，大输入晶体管的噪声较低，但具有大输入电容，而CMOS 和JFET 放大器的电流噪声远小于双极性器件。
低噪声设计要使用小电阻，所以放大器输出驱动必须足够大，以驱动大负载。
无源元件的选择选择放大器之后，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4所示的是使用错误的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。
图4中三种情形的增益都是1000。
图4：使用低电阻保持低输出噪声。
图中：Amplifer Noise－放大器噪声；Output Noise－输出噪声；G=1000 using different Resistors-G=1000，使用不同电阻。
了解传感器的特性是非常重要的。
忽略R1和R2的噪声，集中考虑源阻抗R的噪声，图6显示出当R值较小时，电压噪声占主导地位；当R值为中等大小时，John噪声占主导；当R值较大时，电流噪声的贡献较大。
因此，低输出阻抗的传感器应该使用小电阻和具有低电压噪声的运算放大器。
图5：小电阻时，电压噪声占主导地位；中等电阻时，John噪声占主导；大电阻时，电流噪声的贡献较多。
除电阻之外，电容也能用于补偿和减小噪声。
电抗元件不增加任何噪声，但流经它们的噪声电流将产生噪声电压，影响计算。
总之，重要的是在放大器周围使用低阻抗来降低电流噪声、热噪声和EMI杂散干扰拾取的影响。
带宽选择选择好放大器以及相关的电阻和电容之后，下一步是设计最佳带宽（BW）。
请注意，不要设计过宽的带宽，带宽应该足够通过基频和重要的谐波，但不要过宽。
选择具有足够带宽的放大器，在其后放置RC滤波器，放大器本身也是单极点滤波器。
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，SNR越低。
图6所示的是在与前面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6：输出电压噪声随着放大器带宽的增加而增大图中：Output Noise for different UGBW Amplifiers-不同UGBW放大器的输出噪声为限制带宽，请在传感器之后使用RC滤波器，产生的负载问题可使用缓冲器来解决，如图7所示。
具有所示规格和配置的放大器（放大器带宽为350MHz）和ADC将具有166 μV rms的噪声。
在运算放大器之后增加RC滤波器后，将产生50MHz的有效带宽，能把噪声降低到56 μV rms。
图7：在传感器和滤波器之间加入缓冲器来避免负载问题。
如图7所示，使用正确的RC 减小带宽能极大的提高SNR ，但是电阻本身会增加噪声。
降低带宽的另一个更好的办法是使用如图8c 所示的电路，它把电阻放入运算放大器的反馈环路中，将其影响降低（1+环路增益）倍，不要忘了在电源引脚使用足够的去耦电容来降低信号路径的电源噪声。
12π噪声带宽= 1.57 •=图8：简单的RC 滤波器（a ）。
缓冲器可减小负载（b ）。
将电阻放入反馈环路，可减小噪声（c ）。
图中：Response of all above ckts is the same －上面所有电路的响应均相同；X & Y are constants －X 和Y 是常数在进行完这些步骤之后，再检查其它的系统需求，比如： 所选的器件是否满足其它目标规格？ 放大器是否需要采用双电源供电？ 是否有正电源？放大器的功耗是否太大？ 器件是否太过昂贵？如果有需求不能满足，请返回第1步，重复这个设计过程。
结论每个传感器都有其噪声、阻抗和响应特性，因此，将这些特性匹配到模拟前端是非常重要的。
正确定义的低噪声设计步骤能用于解决当今应用中的许多挑战，以获得最佳SNR 。
这个重复的过程将产生最适合目前挑战性应用的信号调理方案。
YX XYQ XYRC f )1(210+==πF r e q u e n c y 0H z 0.2M H z 0.4M H z0.6M H z 0.8M H z 1.0M H zV (R 13:2)V (R 11:2)V (C 6:2)0V 0.4V0.8V1.2VXRYC X & Y are constantsResponse of all above ckts is the same。