高阻抗微弱信號測量的保護(hù)電路設(shè)計(jì)

空氣質(zhì)量檢測、光電信號探測、加速度計(jì)、壓電傳感器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)輸入電阻、輸入偏置電流的影響，實(shí)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、電容的分流，電纜泄漏電流和印刷電路板寄生漏電流的影響。因此，高阻抗微弱信號測量電路，必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)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。如圖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，輸入端電壓為Vin，由于Rs與Rin的分壓，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 MΩ，Rin=100 MΩ。當(dāng)Vs=1 V時(shí)，Vin=O．99 V，可以看出，系統(tǒng)輸入電阻的負(fù)載效應(yīng)產(chǎn)生1％的誤差。實(shí)現(xiàn)高精度測量，需要增加測量系統(tǒng)的輸入阻抗。
    如圖1所示，測量系統(tǒng)的偏置電流為Ibias，假定電流正方向?yàn)榱魅霚y量系統(tǒng)，這一電流將在源電阻Rs上產(chǎn)生誤差電壓，實(shí)際測量系統(tǒng)探測到的輸入電壓為：

0．99 V。此時(shí)，輸入偏置電流將引起1％的誤差。實(shí)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)當(dāng)遠(yuǎn)大于被測信號源的內(nèi)阻才能滿足對測量精確度的要求。
    實(shí)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、放大器輸入阻抗，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(dá)1010～1012Ω，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。由于理想的高阻值電阻、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(jì)顯得非常重要，它決定了測量系統(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進(jìn)行研究和分析。

2 電路設(shè)計(jì)與分析
    這里所指的保護(hù)，是指將電路中的低阻抗節(jié)點(diǎn)電勢與高阻抗輸入端電勢近似等電勢的一種技術(shù)，即通過低阻抗的保護(hù)電路，把電路中低阻抗節(jié)點(diǎn)的電勢強(qiáng)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 MΩ、交流信號幅值為O．1 mV、直流信號電平為0．1 V的高阻抗微弱交流電壓信號。信號源的戴維寧等效電路如圖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、前級放大電路和保護(hù)電路。
    由于實(shí)際探測信號，頻率成分往往較為復(fù)雜，有時(shí)想要測量的信號，深深地掩埋在其他頻率信號噪聲中，因此，信號在進(jìn)入放大器之前，需要經(jīng)過濾波。本電路需要測量的信號為交流信號，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決定，通過改變C1，R1的值來改變高通濾波截止頻率，這里需要注意的是，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，實(shí)際上大阻值的電阻往往是不容易得到的，這里選用阻值為100 MΩ的電阻，高通截止頻率為fH=1．6 Hz。
    如圖2所示，前級信號放大電路采用同相比例運(yùn)算電路結(jié)構(gòu)，此電路引入電壓串聯(lián)負(fù)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+R4／R5 (3)
    如圖2中所示，電路電阻取值分別為：R4=100kΩ，R5=1 kΩ，因此放大倍數(shù)A=101倍。這里需要注意同相比例運(yùn)算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因集成運(yùn)放有共模輸入，為了提高運(yùn)算精度，應(yīng)選用高共模抑制比的集成運(yùn)算放大器。

常規(guī)方法測量時(shí)，電阻R1的下端直接與地相連，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 MΩ。由以上分析可以得出，其測量誤差會達(dá)到10％。這么大的誤差，在實(shí)際應(yīng)用中是不允許的。通過設(shè)計(jì)保護(hù)電路，可以很好地解決這一問題。
    圖2中下側(cè)虛線框內(nèi)的電路為保護(hù)電路，從放大器A1的反相輸入端引入信號到保護(hù)放大器Aguard的正相輸入端，保護(hù)放大器實(shí)則為電壓跟隨器。電阻R1的低電位端加上保護(hù)電位Vguard，當(dāng)R2》R3時(shí)。在一定頻率范圍內(nèi)，保護(hù)電位近似等于高阻抗輸入端電位Vin，可以通過調(diào)節(jié)R2，R3的阻值來改變保護(hù)電位的大小。保護(hù)電位由保護(hù)緩沖放大器提供，而不是由信號源提供．電阻R1的低阻抗端加上保護(hù)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。
    保護(hù)電路需要滿足信號路徑阻抗遠(yuǎn)大于保護(hù)電路阻抗，即：

式中：Zs表示信號路徑的阻抗，Zg表示保護(hù)電路阻抗，本設(shè)計(jì)中，R2=100 kΩ，C2=1μF，Zs／Zg=1 000。
    高阻抗微弱信號測量中，運(yùn)算放大器的選擇是至關(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(yùn)算放大器AD743，其輸入偏置電流最大值為250 pA，輸入阻抗高達(dá)1010Ω，CMRR達(dá)90 dB。

    實(shí)際測量系統(tǒng)中，對于輸入信號電纜引起的誤差，可以選擇使用絕緣電阻盡可能高的電纜，另外，在電纜屏蔽層加上保護(hù)電勢Vguard，可以大大降低電纜泄露電流引起的誤差。印刷電路板由于污染等原因?qū)е陆^緣電阻下降而引起漏電流，當(dāng)運(yùn)放同相輸入端與電源輸入端相鄰時(shí)，會帶來干擾，因此，將保護(hù)電勢加載于運(yùn)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保護(hù)電路吸收。

3 仿真結(jié)果分析
    對圖2所示的電路，用PSpice仿真軟件對電路進(jìn)行模擬分析，交流掃描的結(jié)果如下，各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)電壓如表1所示，電阻R1的低阻抗端加上了90．121μV的保護(hù)電壓，流經(jīng)電阻R1的分流電流為90．031 fA。
    如圖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10．011 mV，交流輸入阻抗Rin為1．132 8 GΩ。經(jīng)計(jì)算，系統(tǒng)的放大倍數(shù)A為100．998倍。

從上述分析可以得出，采用保護(hù)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，保護(hù)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出發(fā)，分析了測量系統(tǒng)輸入阻抗和偏置電流對測量精度的影響，針對高阻抗微弱電壓信號，應(yīng)用保護(hù)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種帶保護(hù)電路的高阻抗微弱信號放大電路，通過PSpice軟件仿真分析，驗(yàn)證了該電路可實(shí)現(xiàn)對高阻抗信號的高精度測量，為高阻抗信號測量提供了一種有價(jià)值的參考方法。