2011-10-12 12:41:03 來源:互聯網
空氣質量檢測、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輸入電阻、輸入偏置電流的影響，實際測量系統中主要有與信號路徑相并聯的元器件如電阻、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，必須經過精心設計以滿足系統對低偏置電流、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分析
高阻抗信號測量，易受到測量系統輸入阻抗的分壓與系統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相連，信號源的戴維寧等效電路由Vs與Rs串聯而成。假定測量系統的等效輸入電阻為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，測量系統的輸人端電壓為：
假定Rs=1 MΩ，Rin=100 MΩ。當Vs=1 V時，Vin=O．99 V，可以看出，系統輸入電阻的負載效應產生1％的誤差。實現高精度測量，需要增加測量系統的輸入阻抗。
如圖1所示，測量系統的偏置電流為Ibias，假定電流正方向為流入測量系統，這一電流將在源電阻Rs上產生誤差電壓，實際測量系統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。實現高精度測量，需要降低測量系統的輸入偏置電流。
從以上分析可以得出，提高測量系統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。測量系統的輸入阻抗應當遠大于被測信號源的內阻才能滿足對測量精確度的要求。
實際測量系統的等效輸入阻抗主要包括有信號電纜絕緣電阻、信號調理電路的分流電阻、放大器輸入阻抗，以及印刷電路板的寄生電阻。系統的輸入偏置電流主要包括有信號調理電路分流電流、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，在經過放大之前需要經過各種調理，信號調理電路的設計顯得非常重要，它決定了測量系統的性能。如何提高測量系統的輸入阻抗，減小輸入偏置電流與降低系統噪聲成為了高阻抗微弱信號探測的主要考慮因數。這里主要就提高系統輸入阻抗和減小輸入偏置電流進行研究和分析。
常規方法測量時，電阻R1的下端直接與地相連，系統的輸入阻抗主要取決于電阻R1的值，系統的等效輸入阻抗約等于100 MΩ。由以上分析可以得出，其測量誤差會達到10％。這么大的誤差，在實際應用中是不允許的。通過設計保護電路，可以很好地解決這一問題。
圖2中下側虛線框內的電路為保護電路，從放大器A1的反相輸入端引入信號到保護放大器Aguard的正相輸入端，保護放大器實則為電壓跟隨器。電阻R1的低電位端加上保護電位Vguard，當R2》R3時。在一定頻率范圍內，保護電位近似等于高阻抗輸入端電位Vin，可以通過調節R2，R3的阻值來改變保護電位的大小。保護電位由保護緩沖放大器提供，而不是由信號源提供．電阻R1的低阻抗端加上保護電位后，其電壓降將大大減小，流經它的電流也將大大減小。
保護電路需要滿足信號路徑阻抗遠大于保護電路阻抗，即：
3 仿真結果分析
對圖2所示的電路，用PSpice仿真軟件對電路進行模擬分析，交流掃描的結果如下，各關鍵節點電壓如表1所示，電阻R1的低阻抗端加上了90．121μV的保護電壓，流經電阻R1的分流電流為90．031 fA。
如圖3所示，圖中上半部分為系統輸出信號波形，下半部分為系統輸入阻抗波形，從圖中可以看出，在頻率為100 Hz處，測量系統的輸出電壓值Vout為10．011 mV，交流輸入阻抗Rin為1．132 8 GΩ。經計算，系統的放大倍數A為100．998倍。
從上述分析可以得出，采用保護電路大大提高了系統的輸入阻抗，減小了系統的輸入偏置電流。仿真結果與理論分析相符，保護電路對高阻抗微弱電壓信號高精度測量提供保障。
4 結 語
本文從高阻抗信號測量原理出發，分析了測量系統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，應用保護技術，設計了一種帶保護電路的高阻抗微弱信號放大電路，通過PSpice軟件仿真分析，驗證了該電路可實現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值的參考方法。
