高阻抗微弱信號測量的保護(hù)電路設(shè)計(jì)
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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。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/195873.htm
常規(guī)方法測量時，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。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。
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