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11. 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 , 比 如 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 端 的 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 先 进 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 , 问题 在 于 其 SENSOR 灵 敏 度 和 I-V 转 换 、 放 大 所 产 生 的 噪 声 电 平 如 何 抑 制 ? 推 荐 NS、AD、BB 公 司 的 OP,其 网 站 上 有 详 细 工 程 设 计 手 册 , 应 该 对 你 有 所 帮 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 问 题 : 遇 到 的 问 题 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 由 于 采 样 电 阻 高 , 而 引 入 了 50HZ 的 干 扰 波“ 采 用 一 个 电 阻 ( 比 如 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 。 问 题 :50HZ的 干 扰 波 该 如 何 消 除 呢 ?(4) a、 电 路 设 计 时 注 意 平 衡 的 处 理 , 尽 量 平 衡 , 对 于 抑 制 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 分 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 。 如 果 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 成 本 高 些 , 如 果 普 通 运 放 能 满 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 单 的 高 通 电 路 , 抑 制 50Hz 干 扰 。(5) 50Hz 干 扰 是 经 常 遇 到 的 , 不 太 清 楚 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 分 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 , 还 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 注 意 的 是 , 如 果 你 用 示 波 器 测 量 时 使 用 不 当 , 可 能 造 成 测 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 , 如 果 有 , 说 明 示 波 器 的 测 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 , 如 果 放 大 器 与 传 感器 之 间 的 电 缆 较 长 的 话 , 很 容 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 须 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 测 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 分 。 电 流 转 电 压 放 大 器 需 选 用 输 入 偏 置 电 流 极 低 的 运 放 。(7) 很 多 传 感 器 都 要 加 变 换 电 路 后 才 可 以 送 去 放 大 , 前 端 是 非 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 测 量 , 张 先 生 建 议 采 用 “ 交 流 放 大 - 同 步 检 测 ” 的 方 法 。 这 种 方 法 在 弱 电 量 测量 方 面 有 广 泛 的 应 用 。 在 弱 电 流 测 量 领 域 ( 行 业 内 称 测 量 弱 电 流 的 仪 表 为 静 电 计 ), 有 一 种 采 用 振 动 电 容 做 ‘ 调电 子 工 程 专 辑 — 为 亚 洲 及 中 国 的 电 子 工 程 师 社 群 提 供 及 分 析 最 新 工 业 和 科 技 趋 势运 算 放 大 器 设 计 与 应 用 — 电 子 工 程 师 必 备 手 册 ( 下 )