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水分析仪关于微弱信号的放大 来源: 本站 发布时间:2011/11/5 10:21:35

关于微弱信号放大

  问:

  我是做水分析仪器方面的,他们的传感器的输出大多十分微弱,好比拿氧来举例:给传感器供0.7V恒压,它会输出一个20nA~200nA这样一个电流,这么微弱的电流简直是无法想象的,功耗、速度、带宽之类都次之,我看了一些运放的资料,但是即使最高真个也不能完成这个任务啊。是不是需要一些复合的方法或者手段

  答:

  (1)你说微弱信号放大应该是提高前辈行I-V转换,再进行放大,当然也可一步到位;实现这种目的应该不难,题目在于其SENSOR敏捷度和I-V转换、放大所产生的噪声电平如何按捺?推荐NS、AD、BB公司的OP,其网站上有具体工程设计手册,应该对你有所匡助。

  (2)这种情况一般选择Ib非常小的高精运放或者log AMP,对于信号范围较大的,可以在反馈端用模拟开关选择不同的反馈电阻。

  (3)目前我也一直在解决这个题目:碰到的题目是若直接利用电阻将电流信号转换为电压信号(Vout=Iin*R,如R=1Mohm),后跟一个稿输入阻抗的运放跟随,发现因为采样电阻高,而引入了50HZ的干扰波“采用一个电阻(好比1Gohm)与一个低偏置电流较高输入阻抗的放大器组成一个跨导放大器(transconductance amplifier)即可完成IV变换(Vout=Iin*Rf, Rf为跨导--就是那个1Gohm的电阻,Iin为输入电流,Vout为放大器的输入电压)。”有一个疑问:1Gohm是否会引入干扰,如50HZ的周波。题目:50HZ的干扰波该如何消除呢?

  (4) a、电路设计时留意平衡的处理,尽量平衡,对于按捺干扰有效,这些在NS、BB(被TI收购了)、ADI等公司关于运放的设计手册中均可以查到。(电流-电压转换,如光电接收电路等)

  b、推荐加金属屏蔽罩,将微弱信号部门罩起来(开个小模具),金属体接电路地,可以大大改善电路抗干扰能力。

  c、nA级电流已经不小了,不要畏难。选择输入电流pA级的运放即可。假如对速度没有多大的要求,运放也不贵。仪表放大器当然最好了,就是本钱高些,假如普通运放能知足要求,也可以不用,看你们精度要求了。(仪表放大器平衡性最好,见上面第1条)

  d、若选用非仪表运放,反馈电阻就不要太大了,M欧级好一些。否则对电阻要求比较高。后级再进行2级放大,中间加入简朴的高通电路,按捺50Hz干扰。

  (5) 50Hz干扰是常常碰到的,不太清晰你的整个系统(电源,传感器,信号调理电路,等等)的连接关系,各部门供电及接地如何处理的。首先你要找出干扰源头在哪里,是从传感器那里来的,仍是在信号调理这边来的,你可以把信号调理电路的输入端对地短路使得输入差分信号为0,然后观察放大器输出有无干扰。需要留意的是,假如你用示波器丈量时使用不当,可能造成丈量假象,示波器的地线不能太长,示波器的 220v电源端地线要接地良好,将示波器探头地线与信号线短路(这样示波器的输入差分信号为0),然后接到调理电路的地上,看有没有50Hz的干扰,假如有,说昭示波器的丈量受到共模干扰的影响,解决方法:使用220v隔离变压器给示波器供电,用短的多股编织铜带连接示波器信号地和被测电路地。通常,假如放大器与传感器之间的电缆较长的话,很轻易引入50Hz干扰,建议使用屏蔽对称电缆来传送信号。

  (6)对于微弱信号的放大,只用单个放大器难以达到好的效果,必需使用一些较特别的方法和传感器激励手段。使用同步检测电路结构可以得到非常好的丈量效果。这种同步检测电路类似于锁相放大器结构,包括传感器的方波激励,电流转电压放大器,和同步解调三部门。电流转电压放大器需选用输入偏置电流极低的运放。

  (7)良多传感器都要加变换电路后才可以送去放大,前端长短常重要的。这个案例要先做I/V变换后就好处理了。另这种电流的变化对传感技术来说已经很可观的了。

  (8)对于量程最小为20nA的电流丈量,张先生建议采用“交放逐大-同步检测”的方法。这种方法在弱电量丈量方面有广泛的应用。在弱电流丈量领域(行业内称丈量弱电流的仪表为静电计),有一种采用振动电容做‘调制器’的丈量弱电流的方法,用一定频率的交流信号激励振动电容的线圈,调制电容极板上的电场(不影响电荷,极板之间的DC leakage current几乎可以忽略不计),将电荷转换为交变电压信号,然后交放逐大,再进行相敏检波(或叫做相干解调,跟张先生所述‘同步检测’一个意思,可用4个二极管组成双平衡形式,输入的信号一路是携带了输入信号的调制信号,另一路是),检波输出经缓冲后接高电阻连到输入端---所谓‘高绝缘端 ‘或‘高端’,构成一个跨导放大器。这种方法可以取得很高的敏捷度,抗共模干扰能力特别强,最小可测电流几乎只受噪声特性限制。但是,题目的另外一个方面,采用这种方式需要的电路复杂,器件较多,本钱上很不具上风。实际上,在弱电流领域,20nA是“非常强”的信号,根本用不着如斯大费周折。在所需要的工作温度范围内,根据丈量误差限的要求(好比全温范围内小于0.5%),选用输入失调电流最大为pA量级(0.5%误差要求可选Ioffset<20nA/1000=20pA)的运放,再根据运放datasheet上的共模按捺比、失调电压(工作温度范围内)、输入阻抗、开环增益,以及传感器输出的 DC共模电压,进一步核算考虑了这些非理想因素带来的误差影响,看终极的结果能否知足误差要求。一般来说,可以选用低偏置电流的仪表运放,在共模按捺方面能有很好的表现。另外,仪表运放还可以利便地改变‘开环增益’增益而不影响输入阻抗(降低失调电压的影响需要降低开环增益)。实际电路中,还要加上调零电路,与输入信号相连的pcb布线附近要有大面积地包抄,如要不断改进的话,还可以考虑设计一个guard ring,用来降低pcb材料带来的额外直流漏电(对这个应用来说可能用不着)。

参考:霍尔电流传感器   /
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