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。本文引用地址：http://www.104case.com/article/195873.htm
常規方法測量時，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，保護電位近似等于高阻抗輸入端電位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。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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