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。

congyishangfenxikeyidechu，tigaoceliangxitongdeshuruzukanghejianxiaoshurupianzhidianliuduigaozukangxinhaoceliangyouzhezhongyaodeyiyi。celiangxitongdeshuruzukangyingdangyuandayubeicexinhaoyuandeneizucainengmanzuduiceliangjingquedudeyaoqiu。

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、低(di)漏(lou)電(dian)流(liu)電(dian)容(rong)往(wang)往(wang)是(shi)難(nan)以(yi)得(de)到(dao)的(de)
，從(cong)傳(chuan)感(gan)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)微(wei)弱(ruo)信(xin)號(hao)，在(zai)經(jing)過(guo)放(fang)大(da)之(zhi)前(qian)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)各(ge)種(zhong)調(tiao)理(li)
，信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)顯(xian)得(de)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，它(ta)決(jue)定(ding)了(le)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)。如(ru)何(he)提(ti)高(gao)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)的(de)輸(shu)入(ru)阻(zu)抗(kang)，減(jian)小(xiao)輸(shu)入(ru)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)與(yu)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)成(cheng)為(wei)了(le)高(gao)阻(zu)抗(kang)微(wei)弱(ruo)信(xin)號(hao)探(tan)測(ce)的(de)主(zhu)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)數(shu)。這(zhe)裏(li)主(zhu)要(yao)就(jiu)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)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)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)和(he)分(fen)析(xi)。
[page]
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zuRs=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。
[page]
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guoPSpice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。