CHƢƠNG 2 GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO
2.1 Tỷ số SNR của cảm biến [7,9]
2.1.2 Tạp nội (internal noise)
Tạp nội là những thăng giáng xuất hiện trong nội tại hệ đo. Những thăng giáng này tồn tại trong các phần tử cảm biến, đầu dị, mạch tích hợp, transistor, điốt, điện trở, dây dẫn... của hệ thu tín hiệu khi chúng có dịng điện đi qua.
24
hoặc linh kiện đều thăng giáng một cách ngẫu nhiên xung quanh giá trị trung bình, ngay cả trong trường hợp cân bằng nhiệt. Một số tác giả gọi loại thăng giáng này là
nhiễu thăng giáng nội tại. Để tiện phân biệt với nhiễu bên ngoài, ta gọi sự thăng giáng ngẫu nhiên bên trong vật liệu này là tạp nội.
Loại tạp này khó khắc phục vì nó xuất phát từ tính chất của vật liệu và linh kiện. Tuy nhiên người ta có thể hạn chế ảnh hưởng của nó nếu biết đặc tính và ngun nhân gây ra nó. Dựa vào nguồn gốc gây tạp, đến nay người ta đã phát hiện được nhiều loại tạp nội khác nhau như: tạp nhiệt (thermal noise), tạp nổ (shot noise), tạp 1/f hay còn gọi là tạp nhấp nháy (flicker noise), tạp phát sinh - tái hợp (generation - recombination noise), tạp bập bùng (burst noise), tạp thác lũ (avanlanche noise), tạp cảm ứng (induced noise), tạp phân chia (partition noise), tạp phát xạ thứ cấp (secondary emission noise), tạp dư gây ra do các kích thích xoay chiều (excess noise due to a.c excitation), tạp hút – nhả (absorption - desortion noise)...
Tuỳ thuộc vào bản chất của vật liệu, cấu trúc, công nghệ chế tạo và nguyên lý hoạt động của linh kiện mà mỗi loại vật liệu, linh kiện thường chỉ có một số loại tạp tiêu biểu nhất định nổi trội. Ví dụ:
- Tạp nhiệt (thermal noise)
Nguồn gốc tạp nhiệt là do chuyển động Brown của các hạt tải điện bên trong vật dẫn gây nên. Ở một nhiệt độ nhất định, mật độ phổ của điện áp tạp nhiệt được xác định theo biểu thức:
Sv(f) 4kTR (2.2)
Trong đó k = 1,38.10-23 J/K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối, R là điện trở của vật dẫn.
Tạp nhiệt là nguồn tạp phổ biến nhất trong các cảm biến, linh kiện và thiết bị điện tử. Các linh kiện làm việc ở vùng nhiệt độ thấp bao giờ cũng ổn định, ít tạp hơn khi làm việc ở vùng nhiệt độ cao.
Nguồn gốc tạp nổ là do sự dao động của dòng hạt tải tự do khi chạy qua một khe hay rào năng lượng. Mật độ phổ dòng tạp nổ ở vùng tần số thấp được xác định bằng công thức:
S f 2eI (2.3)i
trong đó e là điện tích của điện tử, I là dịng điện một chiều trung bình. Ở vùng tần số cao mật độ phổ dòng tạp nổ phụ thuộc vào tần số f dưới dạng:
trong đó là thời gian dịch chuyển của điện tử qua miền điện tích khơng gian. Để giảm thiểu tác động của loại tạp này, nên chọn dòng điện làm việc của linh kiện nhỏ một cách phù hợp nhất. Các linh kiện bán dẫn được chế tạo theo cơng nghệ MOSFET, CMOS có tạp nổ nhỏ vì chúng tiêu thụ dịng điện rất nhỏ.
- Tạp phát sinh tái hợp (genreration - recombination noise, viết tắt là G - R noise) Nguồn gốc tạp phát sinh tái hợp là do các hạt tải tự do bị thăng giáng tự phát bởi các tâm phát sinh tái hợp ở trong khối và bề mặt vật liệu linh kiện. Mặt độ phổ Si(f):
trong đó ΔN2 là thăng giáng bình phương trung bình của số hạt tải ở bên trong mẫu. N0 là số hạt tải ở trạng thái cân bằng, là thời gian sống của hạt tải. - Tạp 1/ f (1/ f noise or ficker noise)
Đặc điểm của loại tạp này là mật độ phổ của tạp tỷ lệ nghịch với tần số, dạng:
Trong đó C, , , là các hằng số, I là dòng điện một chiều đi qua linh kiện, ƒ là tần số. Trong nhiều trường hợp người ta thấy giá trị = 2, cịn thường có giá trị từ 0,8 1,4. Nguyên nhân vật lý của sự xuất hiện tạp 1/ ƒ đến nay vẫn chưa biết một
2ΔN2 τ S fi 4 2 2 2 (2.5) 1 ω τ 0 I N β 1 S fi γ (2.6) ƒ CI 2 τ S fi 2 ( 2 2 2 ) (2.4) π τ Sin f eI f
26
giả cho rằng loại tạp này có liên quan tới trạng thái bề mặt của vật liệu và linh kiện. Theo công thức (2.6), loại tạp này trở nên rất lớn ở vùng tần số thấp, cỡ một vài Hz. Do vậy, khi tiến hành phép đo, nên lưu ý tránh xa vùng tần số này.
- Tạp thác lũ (avalanche noise)
Nguồn gốc tạp thác lũ là do các hạt tải được tăng tốc ở trong điện trường cao va chạm làm phát sinh ra các hạt tải khác (hạt tải thứ cấp). Q trình này có tính ngẫu nhiên, gây nên hiện tượng thác lũ bên trong linh kiện.
Mật độ phổ của dịng tạp thác lũ có dạng:
Si(f) = 2eM2qIM (2.7)
trong đó: q là hệ số, IM là dịng tồn phần, M là hệ số nhân thác lũ.
- Tạp bập bùng (burst or popcorn noise)
Tạp này có dạng gồm các xung ngẫu nhiên nối tiếp có độ dài thay đổi, độ cao như nhau hoặc khác nhau. Nguồn gốc của tạp bập bùng đến nay vẫn chưa rõ hồn tồn, có thể là do sự đánh thủng địa phương, do sự bất đồng đều của vật liệu hoặc do các khuyết tật của mạng tinh thể làm sai lệch mạng và tạo nên các tâm bắt với mật độ lớn...
Mật độ phổ của dòng tạp xác định theo biểu thức:
trong đó: I là độ cao trung bình của dãy xung,
N là tổng số lần lên và xuống của dãy xung quan sát, 1/0 = 1/τ + 1/τ
với τlà độ rộng xung trung bình ở mức trên và τ là độ rộng xung trung bình ở mức dưới.