高阻抗微弱信號測量的保護電路的研究與設(shè)計

1、高阻抗微弱信號測量的保護電路的研究與設(shè)計空氣質(zhì)量檢測、光電信號探測、壓電以及生物體信號等高阻抗信號測量，易受到來自測量系統(tǒng)輸入、輸入偏置的影響，實際測量系統(tǒng)中主要有與信號路徑相并聯(lián)的元器件如電阻、的分流，電纜泄漏電流和印刷板寄生漏電流的影響。因此，高阻抗微弱信號測量電路，必需經(jīng)過細心設(shè)計以滿足系統(tǒng)對低偏置電流、低噪聲和高增益的要求。1 高阻抗信號測量原理與影響因數(shù)分析高阻抗信號測量，易受到測量系統(tǒng)輸入阻抗的分壓與系統(tǒng)輸入偏置電流的影響。l所示，將被測高阻抗信號源與測量系統(tǒng)相連，信號源的戴維寧等效電路由vs與rs串聯(lián)而成。假定測量系統(tǒng)的等效輸入電阻為rin，輸入端為vin，因為rs與rin的分壓

2、，使得輸入端電壓減小，測量系統(tǒng)的輸人端電壓為：假定rs=1 m，rin=100 m。當vs=1 v時，vin=o99 v，可以看出，系統(tǒng)輸入電阻的負載效應(yīng)產(chǎn)生1的誤差。實現(xiàn)高精度測量，需要增強測量系統(tǒng)的輸入阻抗。1所示，測量系統(tǒng)的偏置電流為ibias，假定電流正方向為流入測量系統(tǒng)，這一電流將在源電阻rs上產(chǎn)生誤差電壓，實際測量系統(tǒng)探測到的輸入電壓為：099 v。此時，輸入偏置電流將引起1的誤差。實現(xiàn)高精度測量，需要降低測量系統(tǒng)的輸入偏置電流。從以上分析可以得出，提高測量系統(tǒng)的輸入阻抗和減小輸入偏置電流對高阻抗信號測量有著重要的意義。測量系統(tǒng)的輸入阻抗應(yīng)該遠大于被測信號源的內(nèi)阻才干滿足對測量精確

3、度的要求。實際測量系統(tǒng)的等效輸入阻抗主要包括有信號電纜絕緣電阻、信號調(diào)理電路的分流電阻、輸入阻抗，以及印刷電路板的寄生電阻。系統(tǒng)的輸入偏置電流主要包括有信號調(diào)理電路分流電流、信號輸入電纜和印刷、電路板上的泄露電流。目前，高輸入阻抗、低噪聲的fet放大器，其輸入阻抗高達10101012，輸入偏置電流為皮安(pa)量級，電壓、電流噪聲性能都能滿足普遍應(yīng)用場合。因為抱負的高阻值電阻、低漏電流電容往往是難以得到的，從傳感器輸出的微弱信號，在經(jīng)過放大之前需要經(jīng)過各種調(diào)理，信號調(diào)理電路的設(shè)計顯得十分重要，它打算了測量系統(tǒng)的性能。如何提高測量系統(tǒng)的輸入阻抗，減小輸入偏置電流與降低系統(tǒng)噪聲成為了高阻抗微弱信號

4、探測的主要考慮因數(shù)。這里主要就提高系統(tǒng)輸入阻抗和減小輸入偏置電流舉行討論和分析。2 電路設(shè)計與分析這里所指的庇護，是指將電路中的低阻抗節(jié)點電勢與高阻抗輸入端電勢近似等電勢的一種技術(shù)，即通過低阻抗的庇護電路，把電路中低阻抗節(jié)點的電勢強制拉升到與高阻抗輸入端電勢近似相等。這里針對被測信號是源電阻rs=10 m、溝通信號幅值為o1 mv、直流信號電平為01 v的高阻抗微弱溝通電壓信號。信號源的戴維寧等效電路2中左邊虛線框所示，為vs與rs串聯(lián)構(gòu)成，信號調(diào)理電路包括高通濾波電路、前級放大電路和庇護電路。因為實際探測信號，頻率成分往往較為復雜，有時想要測量的信號，深深地埋葬在其他頻率信號噪聲中，因此，信

5、號在進入放大器之前，需要經(jīng)過濾波。本電路需要測量的信號為溝通信號，被直流電平所掩蓋，因此需要先對其高通濾波，濾波截止頻率由被測量信號的帶寬打算，通過轉(zhuǎn)變c1，r1的值來轉(zhuǎn)變高通濾波截止頻率，這里需要注重的是，理論上電阻r1的阻值越大越好，這樣可以提供測量系統(tǒng)的輸入阻抗，事實上大阻值的電阻往往是不簡單得到的，這里選用阻值為100 m的電阻，高通截止頻率為fh=16 hz。2所示，前級信號放大電路采納同相比例運算電路結(jié)構(gòu)，此電路引入電壓串聯(lián)負反饋增大輸入電阻，減小輸出電阻，其放大倍數(shù)a等于：a=1+r4r5 (3)2中所示，電路電阻取值分離為：r4=100k，r5=1 k，因此放大倍數(shù)a=101倍

6、。這里需要注重同相比例運算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點，但因集成運放有共模輸入，為了提高運算精度，應(yīng)選用高共模抑制比的集成。常規(guī)辦法測量時，電阻r1的下端挺直與地相連，系統(tǒng)的輸入阻抗主要取決于電阻r1的值，系統(tǒng)的等效輸入阻抗約等于100 m。由以上分析可以得出，其測量誤差會達到10。這么大的誤差，在實際應(yīng)用中是不允許的。通過設(shè)計庇護電路，可以很好地解決這一問題。圖2中下側(cè)虛線框內(nèi)的電路為庇護電路，從放大器a1的反相輸入端引入信號到庇護放大器aguard的正相輸入端，庇護放大器實則為電壓尾隨器。電阻r1的低電位端加上庇護電位vguard，當r2r3時。在一定頻率范圍內(nèi)，庇護電位近似等于高

7、阻抗輸入端電位vin，可以通過調(diào)整r2，r3的阻值來轉(zhuǎn)變庇護電位的大小。庇護電位由庇護緩沖放大器提供，而不是由信號源提供電阻r1的低阻抗端加上庇護電位后，其電壓降將大大減小，流經(jīng)它的電流也將大大減小。庇護電路需要滿足信號路徑阻抗遠大于庇護電路阻抗，即：式中：zs表示信號路徑的阻抗，zg表示庇護電路阻抗，本設(shè)計中，r2=100 k，c2=1f，zszg=1 000。高阻抗微弱信號測量中，運算放大器的挑選是至關(guān)重要的，需要考慮高的輸入阻抗、低的輸入偏置電流、低噪聲等參數(shù)。該電路選用ad公司的極低噪聲bifet運算放大器ad743，其輸入偏置電流最大值為250 pa，輸入阻抗高達1010，cmrr達

8、90 db。實際測量系統(tǒng)中，對于輸入信號電纜引起的誤差，可以挑選用法絕緣電阻盡可能高的電纜，另外，在電纜屏蔽層加上庇護電勢vguard，可以大大降低電纜泄露電流引起的誤差。印刷電路板因為污染等緣由導致絕緣電阻下降而引起漏電流，當運放同相輸入端與電源輸入端相鄰時，會帶來干擾，因此，將庇護電勢加載于運放輸入端與信號線周圍，將大大減小信號路徑上的泄露電流，而來自電源的漏電流將會被庇護電路汲取。3 結(jié)果分析對圖2所示的電路，用pspice仿真軟件對電路舉行模擬分析，溝通掃描的結(jié)果如下，各關(guān)鍵節(jié)點電壓如表1所示，電阻r1的低阻抗端加上了90121v的庇護電壓，流經(jīng)電阻r1的分流電流為90031 fa。3所示，圖中上半部分為系統(tǒng)輸出信號波形，下半部分為系統(tǒng)輸入阻抗波形，從圖中可以看出，在頻率為100 hz處，測量系統(tǒng)的輸出電壓值vout為10011 mv，溝通輸入阻抗rin為1132 8 g。經(jīng)計算，系統(tǒng)的放大倍數(shù)a為100998倍。從上述分析可以得出，采納庇護電路大大提高了系統(tǒng)的輸入阻抗，減小了系統(tǒng)的輸入偏置電流。仿真結(jié)果與理論分析相符，庇護電路對高阻抗微弱電壓信號高精度測量提供保障。4 結(jié) 語本文從高阻抗信號測量原理動身，