高阻抗微弱信號測量的保護(hù)電路設(shè)計

空氣質(zhì)量檢測、光電信號探測、加速度計、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，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，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)計與分析