用于陶瓷压力传感器的降噪滤波方案


概述

陶瓷压力传感器以其抗腐蚀特性以及低价格在多种场景越来越多的使用,比如汽车机油压力传感器。陶瓷压力传感器满量程输出:2.0~4.8mV/V,由于其信号微弱,极易受到环境噪声影响。

噪声来源

传感器在实际使用中会引入很多噪声干扰,噪声干扰可以通过很多方式耦合至模拟电路,从而影响电路精度。并且这样的噪声源有很多在实际应用中几乎不可能控制,因此需要了解噪声耦合的途径,从而找到最佳的解决方案。图1中列举了陶瓷压力传感器实际应用中最为典型的EMI耦合方式。

                                               

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如图1所示在产品外壳与内部陶瓷压力传感器之间存在寄生电容。当产品外壳处于悬空状态时,必然将自身电压波动,通过寄生电容耦合于传感器输出信号。由于陶瓷压力传感器输出信号小,信噪比过低(与扩散硅类压阻传感器相比),所以对噪声更加敏感。

实用滤波方案

方案一

本方案适用于产品外壳为导电金属构成的模块,从耦合途径出发,解决噪声干扰问题。容性耦合噪声可以通过减少耦合电容来降低,但最简单的解决方法是采用屏蔽。在噪声信号源和产品PCB间放置导电且接地的屏蔽体(实际应用中产品金属外壳可充当屏蔽体),可将位移电流直接路由至地,从而消除这种噪声。此方法中外壳必须接地,外壳悬浮或开路都会导致容性耦合噪声增加。

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如图2将机壳与PCB的地通过R1//C1相连接,为高频噪声信号到地提供低阻抗回路,从而减小环境EMI噪声对产品影响。其中R1、C1推荐值如下:

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方案二

当噪声并非仅仅为外壳与传感器间容性耦合引入时,比如生产环境中机械震动、传感器本身的噪声性能较差时,则方案一失去其作用,推荐使用以下解决方案。

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图3中为在电桥输出端添加一个低通差分滤波电路。C1a/R1a与C1b/R1b分别构成两个低通滤波器,其截止频率为以下共模带宽(BWcm)。C1a/R1a与C1b/R1b两个时间常数之间的任何不匹配都会导致桥路失衡,从而降低高频共模抑制性能。因此,电阻R1a和R1b以及电容C1a和C1b均应始终相等。

电阻R1a/R1b除与C1a/C1b构成低通滤波电路外,还可隔离放大器输入电路与外部信号源。从而对输入做过载保护(电桥桥臂电阻过小或运放驱动能力过强的情况)。同时R1a/R1b还可提高两信号到地低通滤波电路的匹配度。

C2跨接与电桥的输出端,与C1a、C1b构成的串联电路构成并联关系,如此可有效降低因C1a/R1a与C1b/R1b不匹配带来的交流共模抑制误差。C2的取值将直接影响该滤波电路的差分带宽。

各个元器件值如下表:

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方案三

方案二中R1a/R1b主要用于电桥桥臂电阻过小或运放驱动能力过强的情况,通常陶瓷压力传感器的桥臂电阻为11KΩ±20%,可省去电阻R1a/R1b。本方案在“方案二”基础上适当精简得到,绝大多数应用场合可替代方案二。如图4,方案三仅保留各输入信号到地滤波电容,构成各信号到地的低通滤波电路。

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本方案中要求C1a/C1b电容具有较高匹配度,建议误差不高于1%。

各个元器件值如下表:

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方案选型指南

本文提供三种解决方案,可根据产品应用场合选择其一即可。以下将对三种方案优缺点进行比较,以供用户合理选择。

方案一:此方案主要解决了由于金属外壳悬浮时引入较大容性耦合噪声问题,并且实际应用中绝大多数产品噪声偏大现象均属该问题。根据实际经验应用此方案可很好解决陶瓷压力传感器易受干扰特性。但在实际应用中往往在产品外壳上进行单点接地较困难,需根据实际产品选择是否使用。

方案二:本方案适用范围更为广泛,即可解决由于悬浮金属外壳引用容性耦合,也可应用于无金属外壳用于屏蔽的情况。且方案二可解决由其他途径对传感器引入的EMI/RFI噪声问题。缺点在于该方案所要求元器件较多,且对原器件的一致性要求也相对较高(误差1%以下)。在PCB布局、布线中也应尽可能的保持电路的对称性。

方案三:与方案二相比元器件数目较少,BOM成本相对较低。且绝大多数应用场合可替代方案二。但由于传感器桥臂电阻偏差,导致C1a/R1a与C1b/R1b两时间常数不匹配,从而降低高频共模抑制性能,对高频滤波性能较差。(具体计算方法可根据方案二中给出公式进行)



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