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(tǒng)輸入電阻、輸入偏置電流的影響,，實際測量系統(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Vs=1 V時,，Vin=O．99 V,，可以看出，系統(tǒng)輸入電阻的負載效應產(chǎn)生1％的誤差,。實現(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,，假定電流正方向為流入測量系統(tǒng)，這一電流將在源電阻Rs上產(chǎn)生誤差電壓,，實際測量系統(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)的輸入阻抗應當遠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(jīng)過放大之前需要經(jīng)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(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行研究和分析,。
2 電路設計與分析
這里所指的保護,，是指將電路中的低阻抗節(jié)點電勢與高阻抗輸入端電勢近似等電勢的一種技術，即通過低阻抗的保護電路,，把電路中低阻抗節(jié)點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。
由于實際探測信號,，頻率成分往往較為復雜,，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(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算電路具有高輸入電阻,、低輸出電阻的優(yōu)點,，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,。
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(nèi)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(nèi)，保護電位近似等于高阻抗輸入端電位Vin,，可以通過調節(jié)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(jīng)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：
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,。
實際測量系統(tǒng)中,，對于輸入信號電纜引起的誤差，可以選擇使用絕緣電阻盡可能高的電纜,，另外,，在電纜屏蔽層加上保護電勢Vguard，可以大大降低電纜泄露電流引起的誤差,。印刷電路板由于污染等原因導致絕緣電阻下降而引起漏電流,，當運放同相輸入端與電源輸入端相鄰時，會帶來干擾,，因此,，將保護電勢加載于運放輸入端與信號線周圍，將大大減小信號路徑上的泄露電流,，而來自電源的漏電流將會被保護電路吸收,。
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(jié)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(jīng)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(tǒng)輸出信號波形,，下半部分為系統(tǒng)輸入阻抗波形,，從圖中可以看出，在頻率為100 Hz處,，測量系統(tǒng)的輸出電壓值Vout為10．011 mV,，交流輸入阻抗Rin為1．132 8 GΩ。經(jīng)計算,，系統(tǒng)的放大倍數(shù)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(tǒng)的輸入阻抗,，減小了系統(tǒng)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(fā),，分析了測量系統(tǒng)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(xiàn)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。