高阻抗微弱信號(hào)測(cè)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(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。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O．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=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://cafeforensic.com/article/195873.htm
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(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》R3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)電路需要滿足信號(hào)路徑阻抗遠(yuǎn)大于保護(hù)電路阻抗，即：
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=1μF，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)1010Ω，CMRR達(dá)90 dB。
評(píng)論