高阻抗微弱信號測量的保護電路設計
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這里所指的保護，是指將電路中的低阻抗節點(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(guò)低阻抗的保護電路，把電路中低阻抗節點(diǎn)的電勢強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(xiàn)框所示，為Vs與Rs串聯(lián)構成，信號調理電路包括高通濾波電路、前級放大電路和保護電路。
由于實(shí)際探測信號，頻率成分往往較為復雜，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(guò)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(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，這樣可以提供測量系統的輸入阻抗，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算電路結構，此電路引入電壓串聯(lián)負反饋增大輸入電阻，減小輸出電阻，其放大倍數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A=101倍。這里需要注意同相比例運算電路具有高輸入電阻、低輸出電阻的優(yōu)點(diǎn)，但因集成運放有共模輸入，為了提高運算精度，應選用高共模抑制比的集成運算放大器。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/195873.htm
常規方法測量時(shí)，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(huì )達到10％。這么大的誤差，在實(shí)際應用中是不允許的。通過(guò)設計保護電路，可以很好地解決這一問(wèn)題。
圖2中下側虛線(xiàn)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(shí)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(shí)。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(guò)調節R2，R3的阻值來(lái)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(jīng)它的電流也將大大減小。
保護電路需要滿(mǎn)足信號路徑阻抗遠大于保護電路阻抗，即：
式中：Zs表示信號路徑的阻抗，Zg表示保護電路阻抗，本設計中，R2=100 kΩ，C2=1μF，Zs／Zg=1 000。
高阻抗微弱信號測量中，運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。該電路選用AD公司的極低噪聲BiFET運算放大器AD743，其輸入偏置電流最大值為250 pA，輸入阻抗高達1010Ω，CMRR達90 dB。
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