【導讀】傳感器是物聯網 (IoT) 設備和無人駕駛汽車的關鍵，它們在各種產品中的應用只增不減。噪聲抑制對于各種傳感器都很重要，也是必不可少的一項性能，因為如果傳感器未能正確傳輸檢測到的數據，則可能會發生嚴重事故。Murata研究了故障機制和噪聲抑制方法，以單芯片類型傳感器（數字輸出類型）為例。
傳感器是物聯網 (IoT) 設備和無人駕駛汽車的關鍵，它們在各種產品中的應用只增不減。噪聲抑制對于各種傳感器都很重要，也是必不可少的一項性能，因為如果傳感器未能正確傳輸檢測到的數據，則可能會發生嚴重事故。Murata研究了故障機制和噪聲抑制方法，以單芯片類型傳感器（數字輸出類型）為例。
推薦的單芯片傳感器噪聲抑制電路
圖1 2階次對應的各個瞬時頻譜的有效值
噪聲導致傳感器故障的機制
單芯片傳感器主要由三種線路組成：信號、電源和GND。此外，通過多個信號線路（例如時鐘和數據）實現通信。Murata在對不同線路施加噪聲時檢查效果。
信號類型
將噪聲施加到數字信號線路
無法正確執行通信的故障示例時，當噪聲施加到數字信號線路并產生錯誤判斷時，電平已超過高閾值或低于低閾值。
Murata實際上將噪聲引入特定加速度計的數字信號線進行評估，并確認通信停止的故障。
將噪聲施加到數字線路示意圖
將噪聲施加到電源線路
模擬前端包括放大器和模數轉換電路。當這些電路的電源波動且電路運行不當時，可能會產生異常值的情況下發生故障。
Murata為評估加速度計的電源線路引入噪聲，并確認輸出中斷的故障。
將噪聲施加到電源線路示意圖
傳感器噪聲抑制的關鍵點
這些是濾波器中抑制傳感器噪聲的條件：
1. 傳輸運行所需的電源和信號
2. 屏蔽導致故障的噪聲
單芯片類型傳感器有多種類型和產品名稱，但用于噪聲抑制的濾波器沒有很大區別。
這是因為濾波器中的兩個條件對于任何傳感器都很常見。
1. 傳輸運行所需的電源和信號
→單芯片類型傳感器具有標準化接口（IC引腳）
2. 屏蔽引起故障的明顯噪聲
→通過抗噪測試，實現明顯噪聲規格的標準化
濾波器的安裝位置
Murata確定需要將濾波器安裝在傳感器附近才能有效。
電源線路噪聲抑制
濾波器在從低頻到高頻的寬帶寬范圍內具有高插入損耗，非常適合用于電源線路噪聲抑制。
僅使用電容器的抑制需要電容值大的電容器（涵蓋低頻側）和低ESL電容器才能獲得高頻插入損耗。
將電容器和電感器結合，可顯著提高插入損耗。除了使用電感器外，還可通過在多電平配置中的傳感器側安排足夠的電容來獲得更有效的噪聲濾波器。
電源線路噪聲抑制示意圖
信號線路噪聲抑制
針對（數據/時鐘）信號線路的噪聲抑制要求濾波器設計，在應通過的信號頻率下具有低插入損耗。
在噪聲水平較小或信號頻率和噪聲分離時，僅使用電容器即可抑制。但是，當信號頻率和噪聲頻率接近時，需要通過將電感器和電容器結合來配置具有明顯插入損耗特性的濾波器。
信號線路噪聲抑制抑制圖
使用電感器時的要點
僅在特定線路中插入電感器時，會轉換為正常模式（潛在差值），并且線路變得不平衡。這增加了故障變惡劣的可能性。插入電感器時，Murata確定在所有線路中使用相同的零件編號非常重要。
注：鐵氧體磁珠是一款電感型濾波器，不僅可抑制高阻抗噪聲，而且還能吸收噪聲能量作為鐵氧體的損耗，因此預計噪聲抑制效果會更好。
對策示例
電源線路噪聲抑制示例
產生傳感器輸出值的異常情況（輸出誤差），是噪聲對傳感器電源線路的影響。注入電源線路的噪聲水平保持恒定，并且在檢查使用抑制措施之前和之后輸出誤差的大小。
由于傳感器輸出值的故障是因電源線路的正常模式噪聲造成，因此，在傳感器附近插入四個0.1µF低ESL電容器。
該操作將傳感器的輸出誤差抑制在1%以下。
如上所述，需要進一步抑制噪聲時，電感器和電容器可配置為Pi型濾波器。
電源線路噪聲抑制示例圖
信號線路噪聲抑制示例
由于噪聲對傳感器信號線路的影響，傳感器的通信可能會停止。注入噪聲水平提高，同時研究了適當運行的限制水平（不發生故障時）。
•初始：抗故障能力與頻率有很大不同。（在本示例中，電阻低至100MHz和250MHz。）
•對策1：添加電容器可提高100MHz和250MHz下的抗故障能力。
•對策2：配置鐵氧體磁珠和電容器可提高200MHz和250MHz下的抗故障能力。
•對策3：為了實現平衡，為電源線路配置一個Pi型濾波器，并在接地 (GND) 線路中添加鐵氧體磁珠。這樣即可提高所有頻率范圍內的抗故障能力。
通過實施對策3（推薦電路），確認在整個頻率帶寬范圍內抗噪性能良好。
信號線路噪聲抑制示例圖
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