單芯片類型傳感器（數(shù)字輸出類型）為例的故障機制和噪聲抑制方法

傳感器是物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備和無人駕駛汽車的關(guān)鍵，它們在各種產(chǎn)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(shù)據(jù)，則可能會發(fā)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(shù)字輸出類型）為例。

推薦的單芯片傳感器噪聲抑制電路

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(shù)據(jù)）實現(xiàn)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(shù)字信號線路

無法正確執(zhí)行通信的故障示例時，當噪聲施加到數(shù)字信號線路并產(chǎn)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(shù)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(shù)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(shù)轉(zhuǎn)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(chǎn)生異常值的情況下發(fā)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(guān)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(chǎn)品名稱，但用于噪聲抑制的濾波器沒有很大區(qū)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(xiàn)明顯噪聲規(guī)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(nèi)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(cè)）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(jié)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(cè)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(shù)據(jù)/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(jié)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(zhuǎn)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(chǎn)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(fā)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(xiàn)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(nèi)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(nèi)抗噪性能良好。

信號線路噪聲抑制示例圖

編輯：hfy