传感器信号调理电路的噪声优化重点.docx
《传感器信号调理电路的噪声优化重点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器信号调理电路的噪声优化重点.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
传感器信号调理电路的噪声优化重点
（Part1
传感器信号调理电路的噪声优化
作者:
RezaMoghimi
reza.moghimi@
ADI公司
精确的信号调理和高分辨率的测量不再局限于工业或仪器仪表应用,便携式消费类电子设备的设计人员也需要减小系统噪声,这相当具有挑战性,因为电池供电设备中的信号电压很小,系统的精度取决于其本底噪声。
为了从信号调理电路中获取最低的本底噪声和最佳性能,设计人员必须了解器件级的噪声源,并在计算模拟前端的整体噪声时考虑这些噪声源的影响。
有些设计人员认为,选择具有最低噪声的器件就能解决信号调理所有的噪声问题。
这是一个好的出发点,但是,对于在信号调理应用中使用的大多数放大器和参考电压源,数据手册中只会给出器件在有限数量的频率范围下的噪声。
因此,设计人员只能依靠有限的信息来选择器件。
他们不知道器件的噪声来源,什么因素会对其产生影响,噪声是否会随着时间、温度和电路结构而变化,或是否需要在选择具有最低噪声的器件之前了解制造工艺。
在目前的低功耗、成本敏感型设计下,许多系统不能采用最昂贵的器件或是以较高功耗来换取低噪声的器件。
这篇文章将讨论这些问题,并提供一些为设计任务选择最佳器件的指导建议。
在目前的便携式设备中,低噪声设计已经变得非常重要。
一般来说,噪声是指会影响有用信息质量的任何多余信号。
请参考图1所示的典型信号链,理解为什么低噪声设计很重要。
AnalogDevices
AnalogDevices
图1、典型的消费类设备信号链
图中:
Temp-温度;Gas/Chem-气体/化工;VisibleLight-可见光;pressure-压力;POWER-电源;CONVERSION-转换;EmbeddedProcessing-嵌入式处理;SENSOR-传感器;LOCATOR-定位器;UserInterface-用户接口;Cables,displays,etc-线缆、显示,等等
图2、LSB大小随满量程信号的减小而减小
常见的基于传感器的应用已朝着较低的工作电源电压（从几年前的±22V到现在的±0.9V、不断减小的LSB大小,以及更高的精度需求等方向发展。
例如,汽车工业已经从8位系统发展到12位或更高精度。
这一趋势使得测量由传感器产生的毫伏级电压信号变得相当具有挑战性。
设想一个真实世界的传感器产生的信号最大为30mV（这十分普遍,在这一情形下,12位系统的1/2LSB为3.5μV,因此,用作模拟前端的放大器的1μV折合到输入端噪声将会影响测量质量。
AnalogDevices
同样重要的是,要在驱动ADC时降低模拟前端的噪声。
对于避免信噪比（SNR的恶化来说,这一点非常关键。
由放大器导致的SNR净降低（以dB为单位为:
其中:
NADC为ADC的rms噪声,以微伏（μV为单位。
f–3dB为ADC的–3dB输入带宽（或如果使用了ADC输入滤波器,代表截止频率,以MHz为单位。
N为放大器的噪声增益（如果为单位增益缓冲器配置,N等于1。
en为运算放大器的等效输入噪声电压频谱密度,以nV/√Hz为单位。
FSR为ADC的满量程输入范围（例如,对于±2.5V范围来说,FSR为5V。
设计拙劣的信号调理电路会使SNR恶化,抵消系统中高分辨率ADC带来的优势。
例如,表1所示的是16位模数转换器AD7671（28μVrms噪声,9.6MHzBW,0至5V输入,G=1由具有不同噪声指标的放大器所驱动时的SNRLoss。
放大器噪声（nV/√Hz@1kHzSNRLoss
4017204.6101.71
0.02
表1:
对于ADC来说,较高的放大器噪声会导致更大的SNRLoss
精确的高分辨率测量依赖于系统本底噪声。
可获得的最大信噪比为:
rms
noiserms
signalVVSNR__log
*10=。
系统设计人员的目标是处理传感器产生的小信号,而不引起失
真。
下面的部分将讨论信号调理电路产生的噪声,并介绍如何选择合适的器件。
噪声可被分为两种截然不同的类型:
外在的（干扰与固有的（内在的。
电噪声和磁噪声是外在噪声,它们可以是周期性的、间歇的,或随机的。
系统设计人员可采用多种方法降低其影响。
固有噪声可定义为在任何应用中产生电压和电流的所有电阻和半导体器件（PN结因固有的量子涨落而引起的随机过程。
固有噪声无法被完全消除。
电子的热扰动以及电子-空
AnalogDevices穴对的随机产生和复合就属于固有噪声,IC制造商通过采用更好的工艺和设计方法来设法降低这些噪声。
噪声通常以峰峰（p-p或均方根（rms的形式给出,以p-p或频谱噪声密度来图形化的显示。
与交流信号的功率仅集中在一个频率不同,噪声功率会覆盖整个频谱。
噪声的瞬时值是不可预测的,但可以预测其出现的概率。
大多数噪声服从高斯分布。
图3、典型峰峰及电压噪声密度分布图
从峰峰值噪声图中精确而连贯地读取数值是相当困难的。
随着频率而变化的噪声功率密度图能够直观的反映出功率在整个频率范围内的分布。
噪声频谱密度显示出在给定频率下的噪声能量,而rms数值则给出一定带宽或时间间隔内的rms值。
了解峰峰噪声值是非常有用的。
由于噪声是随机的,电压总会有一定概率超出峰峰值。
在99.97%的概率置信区间内,峰峰值不会超过6.6倍的rms噪声。
在IC中,最常用的两种功率密度分布形式为1/f和白噪声。
en（f和in（f的数值为噪声频谱密度,单位分别为nV/√Hz和pA/√Hz。
重要的是要指定频段,因为噪声依赖于测量带宽。
考虑到1/f、温度和老化效应,甚至是爆米花噪声（请参考补充内容中的噪声种类,要量化低频下的放大器噪声也是很困难的,不过,重复实验表明,在较高温度下噪声会增大。
除白噪声和1/f噪声以外,其它IC噪声还有爆米花噪声、散粒噪声,以及雪崩噪声。
除了IC,系统设计中常用的电阻、电容和电感等元件也分别会产生噪声（请参考补充内容,以更好的理解这几项噪声。
由于噪声是一个概率函数,设计人员需要采用和的平方根（rss的形式将不相关的噪声源进行叠加,这意味着叠加具有相同能量的两个噪声源只会增加√2倍的整体噪声,或3dB。
对于相关噪声源来说,应将它们的乘积再乘以相关因子,并作为额外项加入噪声计算公式。
AnalogDevices
图2所示的是各种放大器噪声源以及传感器和外部器件噪声源。
放大器的噪声模型是与输入端串联的零阻抗电压发生器和与输入端并联的无限阻抗电流源。
每一项都因频率及放大器类型的不同而不同。
输入电压噪声（en和输入电流噪声（in都可以被当作理想的
“无噪声”放大器周围的不相关噪声源。
图4、信号调理电路中的所有噪声源（假设放大器没有噪声
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:
请注意,在反相和同相配置中,噪声增益（噪声增大的倍数都等于1+R2/R1。
电容（在此未示出,但常用于与此相似的电路本身并不产生噪声,但当放大器电流噪声流过电容时,会产生电压噪声误差。
在传递白噪声时,滤波器就像是一面砖墙,截止频率等于1.57倍。
0.57表示在f0（滤波器角频率以上所传送的噪声。
在放大器应用中,这个渐进的滚降点为f0=β*ft,其中β为反馈因子,ft为单位增益带宽。
放大器以1.57f0的截止频率传递白噪声。
如前所述,放大器电压噪声占输出噪声的很大一部分。
假设上面的电路被设置为具有1000的反相增益,并使用多种具有不同噪声指标和电阻值的10MHz放大器,图5给出了这个测试的结果。
但是,数据手册中给出的具有最低噪声的放大器并不总是应用的最佳选择。
在选择放大器时,还需要考虑其它因素。
221122212122322122132[4*[][44RRRKTRRRRRInRInRRRKTRKTRBWNoise
RTI++++++++=−+
AnalogDevices
图5、放大器噪声占信号调理电路输出噪声的很大部分
图中:
AmpliferVoltageNoiseDensity-放大器电压噪声密度;OutputNoise-输出噪声;10MHzAmpliferConfiguredforR1=100,R2=100k,G=1000-R1=100,R2=100k,G=1000的10MHz放大器。
通过了解传感器,设计人员应该能够确定工作频率范围（宽带,1/f……。
然后,设计人员应该选择具有合适性能的放大器。
目前放大器的宽带噪声范围为0.9nV/√Hz至60nV/√Hz。
了解放大器的输入架构以及制造工艺技术有助于选择合适的放大器。
在系统设计的早期阶段,设计人员就应当仔细考虑,如何通过选择合适的器件以及限制应用带宽等方式来使设计具有最好的噪声性能。
然后,用户可分析输入阻抗、电源电流和增益等非噪声需求。
如果不满足噪声需求,则重复这一过程。
明智的方法就是设计低噪声,而不是通过屏蔽、布局布线和其它技术来试图降低噪声。
很重要的一点是,设计人员需要了解在设计放大器时必须考虑哪些权衡,这可能会影响应用,因此,了解器件如何设计,制造器件时使用了什么工艺等都很重要,而不是仅仅依赖于数据手册中的性能参数（如xnV/√Hz。
双极性运算放大器的噪声特性取决于其静态电流。
在双极性设计中的一个基本权衡是能降低en的因素（低rb和高Ic却不利于降低in。
许多器件包含superbeta或Ib消除电路,这些电路会引入相关噪声。
在噪声分析的过程中,需要引入相关常数来计算这个相关噪声。
偏置补偿运算放大器具有比从其偏置电流（Ib预测得到的更大的噪声电流。
在不同的工作区域,CMOS噪声的贡献因素不同。
工艺依存或设计调整可用于获得更好的噪声指标,但它们均会对应用产生影响。
闪烁噪声（1/f与晶体管的宽度和长度
AnalogDevices（W×L成反比,因此,为了减小噪声,设计人员会使用大尺寸的输入级晶体管,这将导致较大的输入电容,可能会限制最终应用。
与双极性器件相比,CMOS器件具有更低的电流噪声,在室温下,电流噪声密度（In常常可以忽略,但在高温下却可能会是一个问题。
与BJT相比,JFET具有较低的gm,因此,在相似的工作条件下,FET运算放大器会具有较大的电压噪声。
其电压噪声（en也包含闪烁噪声,不过JFET的电流噪声性能要优于BJT的,其电流噪声（In在室温下常常可以忽略,但在高温下却可能会是一个问题,这是因为温度每升高10度,偏置电流（IB就会增加一倍,温度每升高20度,电流噪声就会增加一倍。
许多成功的商用JFET运算放大器牺牲电压噪声来换取输入电容。
在选择放大器时,表2可能会有所帮助。
双极性CMOSJFET电压噪声最好好较好电流噪声好最好较好en拐点频率最好好较好In最好
较好
好
表2:
不同工艺的噪声性能
表3所示的是采用不同工艺的一些常用放大器。
型号EN（nV/rtHzIN（pA/rtHz
Fc（Hz输入AD859911.59双极性AD86552.70.0072000CMOSAD8610
6
0.005
1000
JFET
表3:
采用不同工艺的三款常用放大器的噪声指标
一旦根据上述的指导思想选定了传感器和放大器,就可以选择放大器的外围器件。
小电阻通常较好,因为它们能降低放大器电流噪声的影响。
电阻本身会引入噪声,这会提高系统的本底噪声。
另外,电阻噪声不会是放大器噪声的主要部分。
实际上,运算放大器仿真模型（如ADI公司最近所发布的都不允许采用大电阻来设置低噪声放大器的增益。
设计低噪声信号调理电路时,减小测量带宽是另一种好方法。
这可通过使用简单的单极点电路或较复杂的多极点有源滤波器来实现（请参考ADI网站上的滤波器工具设计。
AnalogDevices结论
在目前的低功耗、低成本设计中,许多系统都不会采用价格最昂贵的器件,也不能权衡为实现低噪声而带来的较高功耗。
为了从信号调理电路中获得最低的本底噪声和最佳性能,设计人员必须了解器件级的噪声源,并在计算模拟前端的整体噪声时考虑这些噪声源的影响。
这篇文章为设计模拟信号调理电路提供了低噪声设计和器件选型方面的指导。
为了在很小的信号时获得高分辨率,除了查看数据手册中的噪声指标,阅读并了解其它资料也是非常重要的。
补充内容:
噪声种类:
白噪声（也称宽带噪声
噪声图中平坦的部分,也就是器件的本底噪声。
它分布在整个频率范围内,是与频率无关的常数。
对两侧进行平方可得到白噪声能量,噪声能量正比于带宽,而与频带位置无关。
它是系统的本底噪声,也是限制系统分辨率的因素。
图6、放大器白噪声是典型噪声图中的平坦部分
1/f噪声（也称Pink噪声:
在低频时,噪声与频率（1/f项成反比。
1/f噪声往往跟电流有关,它是由陷阱导致的,当电流流过时,随机捕获和释放载流子,从而导致电流的随机波动。
在BJT中,污染物和晶体管基极-发射极结有缺陷的表面条件都可能会导致1/f噪声。
在CMOS中,1/f噪声与硅跟二氧化硅边界的多余电子能态有关。
在1/f拐点频率（其实是品质因数之上,噪声幅度相对平坦,且与频率无关。
请注意,电压噪声的拐点频率不同于电流噪声密度的拐点频率。
∫
=
21
2ffnNdf
eEf
effenn
Δ=−=122
feEn
N=如果f1<0.1f2,那么上式可被近似为:
AnalogDevices
图7、典型运算放大器的噪声图,特别示出1/f噪声
图中:
CORNER-拐点;WHITENOISE-白噪声Noise-噪声
1/f的一个特点是,每十倍以内的能量是相等的。
爆米花噪声（也称Burst噪声:
在IC制造的早期,“爆米花噪声”是一个很严重的问题,它会导致几十毫秒的随机离散失调偏移。
现在,尽管爆米花噪声仍然偶而出现在制造过程中,但人们已对其非常了解。
爆米花噪声是1/f噪声的一部分,在极低的频率下出现,它会导致运算放大器输出端电压呈阶跃性变化,主要是由于晶体管不规律的在两个hfe值（beta之间跳跃所引起,它完全由工艺决定,处理不好的器件会具有较大的爆米花噪声。
散粒噪声:
只要电流流经P-N结,散粒噪声就会出现,而且,目前的IC中有许多结。
势垒跨越完全是随机的,所产生的直流电流是许多随机基本电流脉冲的总和。
散粒噪声在所有频率上都是恒定的。
散粒噪声具有统一的能量密度,已成为白噪声的一部分。
zq=一个电子电荷（1.6x10-19库仑zI=通过结的电流（以pA为单位z∆f=带宽,以Hz为单位
f
fKec
n1=ln（
fL
fceenEN=ln（fL
fHfciinIN=
NOISEnV/√Hzor V/√Hz
en,
k
fqIInΔ=
2
AnalogDevices肖特基噪声:
这一噪声是在反相击穿的P-N结里发现的,当电子在强电场下获得足够动能,通过碰撞晶格原子产生额外的电子-空穴对时,就会出现这种噪声。
这些电子-空穴对能够以雪崩的形式产生其它电子-空穴对,产生的电流包括流经反偏结的随机分布的噪声尖峰。
肖特基噪声类似于散粒噪声,需要有电流;不过它的强度远大于散粒噪声,使得齐纳二极管具有非常大的噪声。
电阻噪声:
存在于所有电阻中,由电阻中电子的热传递所引起,热传递引起电荷的移动,产生电压。
电阻噪声是白噪声的一部分,在所有频率下都是恒定的。
可使用下面的公式来计算电阻的噪声值。
总的来说,1kohm电阻具有4nV/rt-Hz的噪声。
值得一提的是,电阻增倍时,噪声增加3dB（4×阻值=噪声翻倍（6dB。
碳成分和厚膜电阻具有的噪声比所计算的热噪声更大。
其中,
zk=玻尔兹曼常数（1.374x10-23J/°KzT=绝对温度（°K,T=°C+273°zR=电阻（WzB=带宽（Hz
z4kT=1.65x10-20W/Hz
有三种方法可减小这个噪声:
1选择小电阻,但会增加功耗,2控制温度（降低温度,3减小测量带宽。
参考文献:
AN-347AN-358AN-581AN-202
Barrow,J.,andA.PaulBrokaw.1989.“GroundingforLow-andHigh-FrequencyCircuits,”AnalogDialogue,AnalogDevicesInc.（23-3.
Bryant,JamesBryantandLewCounts.1990.“OpAmpIssues–Noise,”AnalogDialogue.AnalogDevicesInc.（24-2.
Freeman,J.J.1958.PrinciplesofNoise.NewYork:
JohnWiley&Sons,Inc.
kTRBEN4=
研讨会:
传感器信号调理电路中的噪声优化第1部分传感器信号调理电路中的噪声优化第2部分RezaMoghimi现任ADI公司精密模拟产品部应用工程经理.他拥有圣何塞州立大学（SJSUBSEE和MBA学位.加入ADI公司之前,Reza曾在RaytheonCorp,SiliconixInc以及PrecisionMonolithicInc（PMI工作过.他喜欢旅游,音乐和足球.AnalogDevicesPage11of11
升级会员 