劉青峰　張流強(qiáng)　顧雯雯　冉　宇

摘 要：針對(duì)高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量問(wèn)題，對(duì)測(cè)量精度與系統(tǒng)輸入阻抗、輸入偏置電流的關(guān)系進(jìn)行分析，應(yīng)用保護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)了帶保護(hù)電路的測(cè)量電路，將電路中的低阻抗節(jié)點(diǎn)加上保護(hù)電勢(shì)，減小漏電流的影響。通過(guò)PSpice仿真分析，驗(yàn)證保護(hù)電路能提高測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗和降低輸入偏置電流，結(jié)果表明保護(hù)電路技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)高阻抗微弱信號(hào)的高精度測(cè)量。

關(guān)鍵詞：高阻抗；微弱信號(hào);放大電路;保護(hù)電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TN702文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2009)03-100-03

Design of Guard Circuit for High Impedance Weak Signal Measurement

LIU Qingfeng ZHANG Liuqiang GU Wenwen RAN Yu2

(1.Key Lab.of Optoelectronic Technology & System of the Education Ministry,College of Optoelectronic Engineering,Chongqing University,Chongqing,400044,China；

2.No.26 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Chongqing,400060,China)

Abstract：Aining at high impedance weak signal measurement,the relations among measuring precision,input impedance and input bias current,the guard technology is applied to design a measuring circuit with guard circuit,adding a guard potential to low-impedance nodes of circuit,the effect of leakage current is reduced.Using Spice simulation and validates that guard circuit can increase the input impedance of the system and lower the input bias current,the results show that the guard circuit provids a valuable solution for high accuracy measurement of the high impedance weak signal.

Keywords：high impedance;weak signal;amplifier circuit;guard circuit

空氣質(zhì)量檢測(cè)、光電信號(hào)探測(cè)、加速度計(jì)、壓電傳感器以及生物體信號(hào)等高阻抗信號(hào)測(cè)量，易受到來(lái)自測(cè)量系統(tǒng)輸入電阻、輸入偏置電流的影響，實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中主要有與信號(hào)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［1］。因此，高阻抗微弱信號(hào)測(cè)量電路，必須經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)低偏置電流、低噪聲和高增益的要求［2］。

1 高阻抗信號(hào)測(cè)量原理與影響因數(shù)分析

高阻抗信號(hào)測(cè)量，易受到測(cè)量系統(tǒng)輸入阻抗的分壓與系統(tǒng)輸入偏置電流的影響［3］。如圖1所示，將被測(cè)高阻抗信號(hào)源與測(cè)量系統(tǒng)相連，信號(hào)源的戴維寧等效電路由Vs與Rs串聯(lián)而成。假定測(cè)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(cè)量系統(tǒng)的輸入端電壓為:

Vin=RinRs+RinVs

(1)

假定Rs=1 MΩ，Rin=100 MΩ。當(dāng)Vs=1 V時(shí)，Vin=0.99 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(cè)量，需要增加測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗。

如圖1所示，測(cè)量系統(tǒng)的偏置電流為Ibias，假定電流正方向?yàn)榱魅霚y(cè)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(cè)量系統(tǒng)探測(cè)到的輸入電壓為:

Vin=Vs－Ibias×Rs

(2)

假定Ibias=1 nA，Rs=10 MΩ，Vs=1 V，則Vin=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(cè)量，需要降低測(cè)量系統(tǒng)的輸入偏置電流。

從以上分析可以得出，提高測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗和減小輸入偏置電流對(duì)高阻抗信號(hào)測(cè)量有著重要的意義。測(cè)量系統(tǒng)的輸入阻抗應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)大于被測(cè)信號(hào)源的內(nèi)阻才能滿(mǎn)足對(duì)測(cè)量精確度的要求。

實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)的等效輸入阻抗主要包括有信號(hào)電纜絕緣電阻、信號(hào)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(hào)調(diào)理電路分流電流、信號(hào)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)1010~1012 Ω，輸入偏置電流為皮安(pA)量級(jí)，電壓、電流噪聲性能都能滿(mǎn)足普遍應(yīng)用場(chǎng)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(hào)，在經(jīng)過(guò)放大之前需要經(jīng)過(guò)各種調(diào)理，信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)顯得非常重要，它決定了測(cè)量系統(tǒng)的性能。如何提高測(cè)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(hào)探測(cè)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。

圖1 高阻抗信號(hào)測(cè)量原理圖

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(shì)與高阻抗輸入端電勢(shì)近似等電勢(shì)的一種技術(shù)，即通過(guò)低阻抗的保護(hù)電路，把電路中低阻抗節(jié)點(diǎn)的電勢(shì)強(qiáng)制拉升到與高阻抗輸入端電勢(shì)近似相等［1,2］。這里針對(duì)被測(cè)信號(hào)是源電阻Rs＝10 MΩ、交流信號(hào)幅值為0.1 mV、直流信號(hào)電平為0.1 V的高阻抗微弱交流電壓信號(hào)。信號(hào)源的戴維寧等效電路如圖2中左邊虛線(xiàn)框所示，為Vs與Rs串聯(lián)構(gòu)成，信號(hào)調(diào)理電路包括高通濾波電路、前級(jí)放大電路和保護(hù)電路。

由于實(shí)際探測(cè)信號(hào)，頻率成分往往較為復(fù)雜，有時(shí)想要測(cè)量的信號(hào)，深深地掩埋在其他頻率信號(hào)噪聲中，因此，信號(hào)在進(jìn)入放大器之前，需要經(jīng)過(guò)濾波。本電路需要測(cè)量的信號(hào)為交流信號(hào)，被直流電平所掩蓋，因此需要先對(duì)其高通濾波，濾波截止頻率由被測(cè)量信號(hào)的帶寬決定，通過(guò)改變C1,R1的值來(lái)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(cè)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(jí)信號(hào)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=100 kΩ，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(cè)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(cè)量誤差會(huì)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(guò)設(shè)計(jì)保護(hù)電路，可以很好地解決這一問(wèn)題。

圖2 高阻抗信號(hào)測(cè)量電路

圖2中下側(cè)虛線(xiàn)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(hào)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鞷3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(guò)調(diào)節(jié)R2，R3的阻值來(lái)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(hào)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(mǎn)足信號(hào)路徑阻抗遠(yuǎn)大于保護(hù)電路阻抗，即:

Zs=R1+1jωC1鞿g=R2+1jωC2

(4)

式中：Zs表示信號(hào)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=1 μF，Zs/Zg=1 000。

高阻抗微弱信號(hào)測(cè)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)1010 Ω，CMRR達(dá)90 dB［4］。

實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，對(duì)于輸入信號(hào)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(shì)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(huì)帶來(lái)干擾，因此，將保護(hù)電勢(shì)加載于運(yùn)放輸入端與信號(hào)線(xiàn)周?chē)瑢⒋蟠鬁p小信號(hào)路徑上的泄露電流，而來(lái)自電源的漏電流將會(huì)被保護(hù)電路吸收［5,6］。

3 仿真結(jié)果分析

對(duì)圖2所示的電路，用PSpice仿真軟件對(duì)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90.121 μV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(hào)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(cè)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。

表1 節(jié)點(diǎn)電壓表(f=100 Hz處)

節(jié)點(diǎn)名稱(chēng)VsVinVguard

電壓值 /μV10099.12590.121

圖3 輸出電壓與輸入阻抗波形圖

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(duì)高阻抗微弱電壓信號(hào)高精

度測(cè)量提供保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從高阻抗信號(hào)測(cè)量原理出發(fā)，分析了測(cè)量系統(tǒng)輸入阻抗和偏置電流對(duì)測(cè)量精度的影響，針對(duì)高阻抗微弱電壓信號(hào)，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(hào)放大電路，通過(guò)PSpice軟件仿真分析，驗(yàn)證了該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)高阻抗信號(hào)的高精度測(cè)量，為高阻抗信號(hào)測(cè)量提供了一種有價(jià)值的參考方法。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 劉青峰 男，1982年出生，湖南冷水江人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槲⑷跣盘?hào)檢測(cè)。

張流強(qiáng) 男，1969年出生，四川廣安人，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)镸EMS、MOEMS器件。

顧雯雯 女，1983年出生，重慶人，博士研究生。主要研究方向?yàn)镸EMS。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。