中心議題：

• 高阻抗信號測量原理與影響因數分析
• 高阻抗信號測量保護電路設計與分析

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，易受到來自測量係統輸入電阻、輸入偏置電流的影響，實際測量係統中主要有與信號路徑相並聯的元器件如電阻、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係統對低偏置電流、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，易受到測量係統輸入阻抗的分壓與係統輸入偏置電流的影響。如圖1所示，將被測高阻抗信號源與測量係統相連，信號源的戴維寧等效電路由Vs與Rs串聯而成。假定測量係統的等效輸入電阻為Rin，輸入端電壓為Vin，由於Rs與Rin的分壓，使得輸入端電壓減小
，測量係統的輸人端電壓為：

假定Rs=1 MΩ，Rin=100 MΩ。當Vs=1 V時

，Vin=0.99 V，可以看出，係統輸入電阻的負載效應產生1％的誤差。實現高精度測量
，需要增加測量係統的輸入阻抗。

如圖1所示，測量係統的偏置電流為Ibias，假定電流正方向為流入測量係統
，這一電流將在源電阻Rs上產生誤差電壓，實際測量係統探測到的輸入電壓為：

假定Ibias=1 nA，Rs=10 MΩ。當Vs=1 V時，Vin=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
，需要降低測量係統的輸入偏置電流。

從(cong)以(yi)上(shang)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)，提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)和(he)減(jian)小(xiao)輸(shu)入(ru)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)對(dui)高(gao)阻(zu)抗(kang)信(xin)號(hao)測(ce)量(liang)有(you)著(zhe)重(zhong)要(yao)的(de)意(yi)義(yi)。測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)應(ying)當(dang)遠(yuan)大(da)於(yu)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)源(yuan)的(de)內(nei)阻(zu)才(cai)能(neng)滿(man)足(zu)對(dui)測(ce)量(liang)精(jing)確(que)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)。

實際測量係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。係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。由於理想的高阻值電阻
、diloudianliudianrongwangwangshinanyidedaode，congchuanganqishuchudeweiruoxinhao，zaijingguofangdazhiqianxuyaojingguogezhongtiaoli
，xinhaotiaolidianludeshejixiandefeichangzhongyao
，tajuedingleceliangxitongdexingneng。ruhetigaoceliangxitongdeshuruzukang
，jianxiaoshurupianzhidianliuyujiangdixitongzaoshengchengweilegaozukangweiruoxinhaotancedezhuyaokaolvyinshu。zhelizhuyaojiutigaoxitongshuruzukanghejianxiaoshurupianzhidianliujinxingyanjiuhefenxi。
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2 電路設計與分析

這(zhe)裏(li)所(suo)指(zhi)的(de)保(bao)護(hu)，是(shi)指(zhi)將(jiang)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)低(di)阻(zu)抗(kang)節(jie)點(dian)電(dian)勢(shi)與(yu)高(gao)阻(zu)抗(kang)輸(shu)入(ru)端(duan)電(dian)勢(shi)近(jin)似(si)等(deng)電(dian)勢(shi)的(de)一(yi)種(zhong)技(ji)術(shu)
，即(ji)通(tong)過(guo)低(di)阻(zu)抗(kang)的(de)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)，把(ba)電(dian)路(lu)中(zhong)低(di)阻(zu)抗(kang)節(jie)點(dian)的(de)電(dian)勢(shi)強(qiang)製(zhi)拉(la)升(sheng)到(dao)與(yu)高(gao)阻(zu)抗(kang)輸(shu)入(ru)端(duan)電(dian)勢(shi)近(jin)似(si)相(xiang)等(deng)。這(zhe)裏(li)針(zhen)對(dui)被(bei)測(ce)信(xin)號(hao)是(shi)源(yuan)電(dian)阻(zu)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。

youyushijitancexinhao，pinlvchengfenwangwangjiaoweifuza，youshixiangyaoceliangdexinhao
，shenshendiyanmaizaiqitapinlvxinhaozaoshengzhong，yinci，xinhaozaijinrufangdaqizhiqian
，xuyaojingguolvbo。bendianluxuyaoceliangdexinhaoweijiaoliuxinhao
，beizhiliudianpingsuoyangai，yincixuyaoxianduiqigaotonglvbo，lvbojiezhipinlvyoubeiceliangxinhaodedaikuanjueding，tongguogaibianC1，R1的值來改變高通濾波截止頻率，這裏需要注意的是，理論上電阻R1的阻值越大越好，這樣可以提供測量係統的輸入阻抗，實際上大阻值的電阻往往是不容易得到的，這裏選用阻值為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負反饋增大輸入電阻
，減小輸出電阻
，其放大倍數A等於：
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。這裏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，應選用高共模抑製比的集成運算放大器。

常規方法測量時，電阻R1的下端直接與地相連
，係統的輸入阻抗主要取決於電阻R1的值
，係統的等效輸入阻抗約等於100 MΩ。由以上分析可以得出，其測量誤差會達到10％。這麼大的誤差，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。在一定頻率範圍內，保護電位近似等於高阻抗輸入端電位Vin，可以通過調節R2，R3的阻值來改變保護電位的大小。保護電位由保護緩衝放大器提供
，而不是由信號源提供．電阻R1的低阻抗端加上保護電位後，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於保護電路阻抗，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。
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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。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。

實際測量係統中，對於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

，keyidadajiangdidianlanxieludianliuyinqidewucha。yinshuadianlubanyouyuwurandengyuanyindaozhijueyuandianzuxiajiangeryinqiloudianliu，dangyunfangtongxiangshuruduanyudianyuanshuruduanxianglinshi，huidailaiganrao，yinci

，jiangbaohudianshijiazaiyuyunfangshuruduanyuxinhaoxianzhouwei
，jiangdadajianxiaoxinhaolujingshangdexieludianliu，erlaizidianyuandeloudianliujianghuibeibaohudianluxishou。

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，圖中上半部分為係統輸出信號波形，下半部分為係統輸入阻抗波形，從圖中可以看出，在頻率為100 Hz處，測量係統的輸出電壓值Vout為10．011 mV，交流輸入阻抗Rin為1．132 8 GΩ。經計算，係統的放大倍數A為100．998倍。

從(cong)上(shang)述(shu)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)
，采(cai)用(yong)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，減(jian)小(xiao)了(le)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)。仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)與(yu)理(li)論(lun)分(fen)析(xi)相(xiang)符(fu)，保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)對(dui)高(gao)阻(zu)抗(kang)微(wei)弱(ruo)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)高(gao)精(jing)度(du)測(ce)量(liang)提(ti)供(gong)保(bao)障(zhang)。

4 結 語

本(ben)文(wen)從(cong)高(gao)阻(zu)抗(kang)信(xin)號(hao)測(ce)量(liang)原(yuan)理(li)出(chu)發(fa)，分(fen)析(xi)了(le)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)和(he)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)對(dui)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)影(ying)響(xiang)，針(zhen)對(dui)高(gao)阻(zu)抗(kang)微(wei)弱(ruo)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)，應(ying)用(yong)保(bao)護(hu)技(ji)術(shu)
，設(she)計(ji)了(le)一(yi)種(zhong)帶(dai)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)的(de)高(gao)阻(zu)抗(kang)微(wei)弱(ruo)信(xin)號(hao)放(fang)大(da)電(dian)路(lu)

，通(tong)過(guo)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。