标签: 差分电路

1 引言 随着科技发展，极限条件下的试验测量已成为进一步认识大自然的重要手段，这些试验中往往测量的都是一些非常弱的物理量，比如弱磁、弱声、弱光、弱振动等，由于这些微弱的信号一般都是通过传感器进行电量转换，使待测的弱信号转换成电信号。实际测量时，噪声和干扰无法回避，影响了测量的灵敏度和准确性。以研究测量pA级电流为目的，开发设计出准确度为0．5级的微电流测量仪，测量的最小范围为10 pA。对于pA级电流测量，测量电路无法直接捕获电流信号，需要进行I/U转换。对于转换后的电压信号需进行进一步的放大，否则会被运算放大器的失调电压、偏置电流这些直流信号干扰。问题在于，在放大捕获待测信号的同时，工频干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，所以需要设计出相关的后续电路加以过滤、去除。对于工频干扰，通过采取屏蔽、滤波即可。而对于电路失调等这些直流杂质信号的消除，是本文所要阐述的核心所在，即通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号。 2 微电流测量方法概述 2.1 测量方法 微弱信号检测就是要从信号源中过滤掉干扰信号，增强/最大限度地还原有用的待测信号，提高信噪比(SNR)，有效抑制噪声是微电流测量的难点和重点。新的微电流检测方法的提出及微电流测量仪的研制是目前该领域内的一大热点。就检测方法而言，目前主要有：取样积分法、相关检测法、噪声分析法、调制解调法、小波变换法、高阻抗输入法、光电耦合法、集成运放、计算机程序控制等，但取样电阻法和运放反馈电流法是微电流测量常用的方法。 噪声干扰是一种有效的压制性干扰信号，根据噪声的种类和特点，主要有2大来源：1)来自电子系统内部固有噪声，包括运放的偏置电流、失调电压，电子元件发热产生的热噪声，数字电路干扰产生的脉冲式噪声，开关电路产生的尖峰噪声等；2)来自电子系统外部，诸如工频干扰、射频噪声、大气噪声、机械噪声等。测量中，对噪声的处理极其重要，该文提出，微电流测量的关键在于抑制电路杂质直流信号和工频干扰。 2.2 微电流测量技术发展现状 美国吉时利公司利用在灵敏电流测量仪器上的技术优势，已经开发出6482型双通道皮安表/电压源，测量分辨率高达1 fA，6位半，测量范围2 nA～20 mA。 3 设计理论 3.1 微电流一电压转换原理 由戴维南定理可知，任何一个两端网络都可看成一个等效电压源U s 与等效电阻R s 串联，即R s =U s /I s 。运放反馈电流法测量原理如图1所示。 图1运放反馈电流测量法原理 图中：R f 为反馈电阻；R＇为平衡电阻；U I0 为运放失调电压；I b- 、I b+ 为运放偏置电流；I s 为待测微电流；U o 为输出电压。 理想电路输出为U o = - I s R f 。由于运放存在失调电压、偏置电流，所以，实际电路输出为： U＇ o = - I s R f +U I0 +I b +R＇+I b -R f (1) 电压输出误差为： △U o =U I0 +I b +R＇+I b -R f (2) 3.2 差分、调制电路原理 提出运用差分、调制电路过滤掉电路中直流杂质信号的测量方法，彻底消除微电流测量过程中测量仪器本身电路产生的干扰。差分、调制是指调制开关由中央处理器控制，对微电流进行调制，通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号，得到与待测信号成比例关系的微压信号。差分、调制电路原理如图2所示。 图2 微弱电流差分、调制前置放大器模型 当K 1 断开，K 2 闭合，即输出： U 01 = I s R f +U I0 +I b +R＇+I b -R f (3) 当K 1 闭合，K 2 断开，即输出： U 02 = U I0 +I b +R＇+I b -R f (4) 式(3)减式(4)，即可消除系统误差，即： U o =U 01 - U 02 = I s R f (5) 通过式(5)得知，直流杂质信号被消除，可见，U o 与I s 成正比。但U o 信号极其弱，U o 需要经过层层放大，再进行差分。设总的放大倍数为K，则输出为：U o =KI s R f ；被测微电流为： I s =U o /(KR f ) (6) 测量结果送往仪器的中央处理器，最后通过显示电路显示出来。 4 系统设计 4.1测量电路构成 本测量电路由3部分组成。 1)前置放大阶段，对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号； 2)信号放大阶段，分别由低通滤波电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成； 3)微电流输出，由采样保持、差分电路等构成，由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。测量电路构成如图3所示。 图3测量电路系统构成 4.2 第1级放大电路原理 放大过程分为8小级(V 1 ～V 8 )完成，框图由上至下，逐渐放大如图4所示。前置放大电路输出的微压信号在第l级进行放大时，由中央处理器控制放大级数。级数的确定先由多路开关依次闭合，由状态判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，级数倒退1级，并送往中央处理器。为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路都设置低通滤波器。调零电路设置在放大电路的末级，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。 图4第1级放大电路原理 4.3 第2级放大电路原理 共分4级放大，每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准，如图5所示。 图5 第2级放大电路原理 依据调制开关的不同时态，将信号放大阶段输出的结果存储在2个寄存器中，利用差分电路，使得前置放大电路，主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除。 4.4 状态判别电路原理 采用供电电源为3 V的前置放大电路，J／U转换后的信号输出给1号状态判别电路，由判别电路做出判断将结果送至中央处理器；中问主放大电路均采用电源为15 V的运算放大器，电路输出给2号状态判别电路，将结果送至中央处理器如图6所示。 图6状态判别电路原理 5 安装注意事项 除电路结构设计外，在元器件选择、电路安装及工艺上也要采取一定的措施。为达到pA级微电流测量，必须注意以下几点： 1)为了尽量避免干扰，应将输入接线端用屏蔽环完全环绕，并将屏蔽层与外壳、衬底及信号地连接口]，将保护环设置在印刷板的正反两面。 2)电路的各条回路都应以地作为电流返回的通道，鉴于地线上的阻抗不是零而形成电位差，地线与信号线间的电容耦合会进一步增加噪声干扰，因此，要尽量设置少的接地点或减小接地点间的距离。 3)PCB布线时，要注意各种器件的摆放，每个芯片必须配置去耦电容，功率大的元器件要求靠近电源位置，尽量减小电线长度，在电源和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行线路板的走线时，先走地线及电源线。 6 试验仿真 6.1 工频干扰试验 工频噪声可以通过空间辐射、传导进入，通过对测量仪器加装金属屏蔽层，测试者手接触仪器外壳时，测试电路输出波形如图7所示；撤掉金属屏蔽层，测试者手接近仪器外壳时，测试电路输出波形如图8所示，从两图对比中可以看出50 Hz噪声得到有效抑制。 图7屏蔽时电路输出波形 图8无屏蔽时电路输出波形 6.2 验证调制采样电路、差分电路的有效性 为过滤掉电路失调等直流杂质信号，采用调制电路、差分电路。为验证电路的有效性，用示波器分别测量采样保持输入端波形和差分电路输出端波形，如图9所示。很明显，直流杂质被有效过滤。 图9差分电路后输出波形 6.3 测试数据 测试数据，如表1所示不同值的5次测量结果。 对于100 pA，测量平均值： =100.156 pA，测量误差为0.16%，测量重复性s=0.24 pA； 对于10 pA，测量平均值： =9.993 pA，测量误差为- 0.07%，测量重复性s=0.04 pA。 测量准确度、重复性达到预期目的，符合0.5级要求。 7 结论 随着电子测量技术的进一步发展，pA级别的电流测量在众多领域具有极其重要的地位，微电流测量极易受到环境条件和测量仪器自身噪声的影响。依据提出的测量方法设计的测量仪器经高、低温、电磁干扰等试验，对于10 pA电流，仪器准确度可达0．5级，具有较高的准确度和较好的测量重复性、稳定性。试验数据表明，去除工频干扰和直流误差的影响是减小微电流测量误差的主要因素。

带通滤波器(BPF)被广泛用于通带非常窄、通带以外任何其它频率被衰减的应用。 公式(1)是带通滤波器的二阶带通传输函数： 其中K代表恒定的滤波器增益，Q代表滤波器的品质因数。 在H.Martinez et al撰写的文章(参考文献 )中，描述了一种具有可调品质因数、在谐振频率点具有恒定传输系数且采用三个运放设计的带通滤波器。这种滤波器的传输函数符合公式(1)，其中K反比于品质因数Q。这种带可调品质因数的带通滤波器(参考文献1中的图1)由一个双T单元和一个差分电路组成。 本文要讨论的这种设计可以将带通滤波器方案中的差分电路剔除在外，H.Martinez et al.提供的方案属性则都有保留。 图1a所示的带通滤波器框图中有一个采用IC1和IC2的电压跟随器，它可以用一个标准的双运放并将其反相输入端连接到运放输出来实现。 图1：这种有源带通滤波器方案(a)可以改变品质因数，同时保持谐振频率点的增益系数不变。它基于的是没有差分放大器的双T单元(b)结构。 图1所示的带通滤波器基于的是一种双T型结构(图1b)。 根据(参考文献1中的公式2)设计的滤波器的增益函数公式是： 其中m是提供给双T单元(图1b)且与频率无关的正反馈系数。品质因数的值取决于电位器R POT 的位置。在电位器的底部位置，光标显示滤波器的品质因数Q处于最小值，当电位器向上调整时，品质因数随之增加。 正反馈系数m被定义为： 有源滤波器的谐振频率为： 公式2的品质因数Q为： 根据H. Martinez et al. ，当ω=ω 0 时最大增益A MAX 总是保持不变，并等于1(0dB)，与Q无关。m=0时品质因数最小，值为1/4，对应于电位器的转子连接到输入端。最大增益理论上是无穷大，但在实际应用中品质因数很难达到50以上。在典型应用中Q的变化范围从1到10。 图2显示了带通滤波器输出V BP (s)/V IN (s)在m值从0.1到0.9变化时的波特图。从图中可以看出，频率f 0 等于1kHz。滤波器的建模是使用“Spectrum Soft”的(ECAD) Micro-CAP 9电路仿真程序实现的。 图2：带通滤波器输出V OUT (t)的幅度和相位波特图。图中展示了将双T型单元的正反馈系数m从0.1变到0.9时产生的效果。 我们的方案是通过移动输入电压源Vin(t)的地线、将IC1和IC2组成的陷波滤波器的原始方案进行拓扑转换 实现的。 这样，推荐电路就将附加的差分电路IC3(图3b)排除在外，达到了与Martinez et al相似的结果(图3a)。 图3：两种方案具有相同的传输函数。 (a)—Martinez et al.提供的方案； (b)—我们的设计方案。 参考文献 1. Martínez, Herminio et al., “Bandpass filter features adjustable Q and constant maximum gain”, EDN, March 3, 2005, p. 71–72. 2. Belov A.V., “Methods for the conversion of electrical circuits on the basic of nullors“. Journal “Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy Rossii. Radioelektronika”, 2012, №. 2, p.30-37. LETI, Saint-Petersburg. 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载

在绘制原理图时，人们对系统接地回路（或 GND）符号总是有些想当然。GND 符号遍及原理图的各个角落，而且原理图假定不同的 GND 在印刷电路板 (PCB) 上都将处在相同的电势下。事实上，经过 GND 阻抗的电流会在 PCB 上的 GND 连接之间创建电压差。单端 dc 电路对这些 GND 压差尤其敏感，因为预期的单端电路可转变为差分电路，导致输出误差。 我们以以下所示标准非反相放大器电路为例加以说明。在输入电源 VIN 和输入电阻器 R I 的 GND 电势相等时，适用于我们熟悉的电路增益 1+R F /R I 。因此，100mV 输入信号乘以 10V/V 增益，就等于 1V 的输出。 在下图所示电路中，输入电源 GND 与 R I GND 连接之间已插入一个电压源 V GND2 。结果 = 修改的传输函数 + V GND2 电压 × - R F /R I 反相电路增益。10mV 的 GND 电势差可将所需 1V 输出降低 90mV，降至 0.91V。与所需的 1V 输出相比，这相当于 9% 的相对误差。 在以下所示电路中，当输出电压参考第三个 GND 电势 VGND3 时，传输函数会进一步受到影响。V GND3 电压将直接从前一个输出传输函数中减去。所以与所需的 1V 输出相比，20mV V GND3 电压可将输出电压降至 890mV，相当于 11% 的误差。 使用适当的 PCB 布局技术使电路输入电源、输入电阻器以及输出电压的 GND 处于相同的电势下，这样可减少以上两个实例中出现的问题。最佳解决方案是使用常见的“星形”GND 方法使重要的 GND 连接在物理上相互靠近。这将降低在 GND 连接之间产生的 PCB 阻抗，进而可减少它们之间的任何电压电势差异。在以下所示示例电路原理图与布局中，输入电源、输出电压与输入电阻器的 GND 连接都在 PCB 的顶层挨着。这可防止单端电路变成差分电路！ 总之，下次有任何 dc 电路性能问题时，请检查所有重要 GND 连接的电压电势是否都相等。

1 引言 随着科技发展，极限条件下的试验测量已成为进一步认识大自然的重要手段，这些试验中往往测量的都是一些非常弱的物理量，比如弱磁、弱声、弱光、弱振动等，由于这些微弱的信号一般都是通过传感器进行电量转换，使待测的弱信号转换成电信号。实际测量时，噪声和干扰无法回避，影响了测量的灵敏度和准确性。以研究测量pA级电流为目的，开发设计出准确度为0．5级的微电流测量仪，测量的最小范围为10 pA。对于pA级电流测量，测量电路无法直接捕获电流信号，需要进行I/U转换。对于转换后的电压信号需进行进一步的放大，否则会被运算放大器的失调电压、偏置电流这些直流信号干扰。问题在于，在放大捕获待测信号的同时，工频干扰、噪声、电路失调等杂质信号也同时被放大，所以需要设计出相关的后续电路加以过滤、去除。对于工频干扰，通过采取屏蔽、滤波即可。而对于电路失调等这些直流杂质信号的消除，是本文所要阐述的核心所在，即通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号。 2 微电流测量方法概述 2.1 测量方法 微弱信号检测就是要从信号源中过滤掉干扰信号，增强/最大限度地还原有用的待测信号，提高信噪比(SNR)，有效抑制噪声是微电流测量的难点和重点。新的微电流检测方法的提出及微电流测量仪的研制是目前该领域内的一大热点。就检测方法而言，目前主要有：取样积分法、相关检测法、噪声分析法、调制解调法、小波变换法、高阻抗输入法、光电耦合法、集成运放、计算机程序控制等，但取样电阻法和运放反馈电流法是微电流测量常用的方法。 噪声干扰是一种有效的压制性干扰信号，根据噪声的种类和特点，主要有2大来源：1)来自电子系统内部固有噪声，包括运放的偏置电流、失调电压，电子元件发热产生的热噪声，数字电路干扰产生的脉冲式噪声，开关电路产生的尖峰噪声等；2)来自电子系统外部，诸如工频干扰、射频噪声、大气噪声、机械噪声等。测量中，对噪声的处理极其重要，该文提出，微电流测量的关键在于抑制电路杂质直流信号和工频干扰。 2.2 微电流测量技术发展现状 美国吉时利公司利用在灵敏电流测量仪器上的技术优势，已经开发出6482型双通道皮安表/电压源，测量分辨率高达1 fA，6位半，测量范围2 nA～20 mA。 3 设计理论 3.1 微电流一电压转换原理 由戴维南定理可知，任何一个两端网络都可看成一个等效电压源U s 与等效电阻R s 串联，即R s =U s /I s 。运放反馈电流法测量原理如图1所示。 图1运放反馈电流测量法原理 图中：R f 为反馈电阻；R＇为平衡电阻；U I0 为运放失调电压；I b- 、I b+ 为运放偏置电流；I s 为待测微电流；U o 为输出电压。 理想电路输出为U o = - I s R f 。由于运放存在失调电压、偏置电流，所以，实际电路输出为： U＇ o = - I s R f +U I0 +I b +R＇+I b -R f (1) 电压输出误差为： △U o =U I0 +I b +R＇+I b -R f (2) 3.2 差分、调制电路原理 提出运用差分、调制电路过滤掉电路中直流杂质信号的测量方法，彻底消除微电流测量过程中测量仪器本身电路产生的干扰。差分、调制是指调制开关由中央处理器控制，对微电流进行调制，通过采用调制电路、差分电路过滤掉这些杂质直流信号，得到与待测信号成比例关系的微压信号。差分、调制电路原理如图2所示。 图2 微弱电流差分、调制前置放大器模型 当K 1 断开，K 2 闭合，即输出： U 01 = I s R f +U I0 +I b +R＇+I b -R f (3) 当K 1 闭合，K 2 断开，即输出： U 02 = U I0 +I b +R＇+I b -R f (4) 式(3)减式(4)，即可消除系统误差，即： U o =U 01 - U 02 = I s R f (5) 通过式(5)得知，直流杂质信号被消除，可见，U o 与I s 成正比。但U o 信号极其弱，U o 需要经过层层放大，再进行差分。设总的放大倍数为K，则输出为：U o =KI s R f ；被测微电流为： I s =U o /(KR f ) (6) 测量结果送往仪器的中央处理器，最后通过显示电路显示出来。 4 系统设计 4.1测量电路构成 本测量电路由3部分组成。 1)前置放大阶段，对信号进行调制放大，同时将微电流信号转化成微压信号； 2)信号放大阶段，分别由低通滤波电路、调零电路、开关选择电路、状态判别电路构成； 3)微电流输出，由采样保持、差分电路等构成，由调制开关对放大后的电压信号分别进行采样保持，通过差分电路去除系统误差，最后输出与被测微电流成正比的电压信号。测量电路构成如图3所示。 图3测量电路系统构成 4.2 第1级放大电路原理 放大过程分为8小级(V 1 ～V 8 )完成，框图由上至下，逐渐放大如图4所示。前置放大电路输出的微压信号在第l级进行放大时，由中央处理器控制放大级数。级数的确定先由多路开关依次闭合，由状态判别电路做出判断，当输出信号首次超过运放工作的线性范围时，级数倒退1级，并送往中央处理器。为避免工频干扰信号数次被放大，每级放大电路都设置低通滤波器。调零电路设置在放大电路的末级，以避免测量电路本身失调信号被数次放大后，可能超出其工作的线性范围。 图4第1级放大电路原理 4.3 第2级放大电路原理 共分4级放大，每级放大倍数不宜过大，以不超过运放的饱和电压且输出信号最大为准，如图5所示。 图5 第2级放大电路原理 依据调制开关的不同时态，将信号放大阶段输出的结果存储在2个寄存器中，利用差分电路，使得前置放大电路，主放大电路中伴随着的杂质直流信号得以消除。 4.4 状态判别电路原理 采用供电电源为3 V的前置放大电路，J／U转换后的信号输出给1号状态判别电路，由判别电路做出判断将结果送至中央处理器；中问主放大电路均采用电源为15 V的运算放大器，电路输出给2号状态判别电路，将结果送至中央处理器如图6所示。 图6状态判别电路原理 5 安装注意事项 除电路结构设计外，在元器件选择、电路安装及工艺上也要采取一定的措施。为达到pA级微电流测量，必须注意以下几点： 1)为了尽量避免干扰，应将输入接线端用屏蔽环完全环绕，并将屏蔽层与外壳、衬底及信号地连接口]，将保护环设置在印刷板的正反两面。 2)电路的各条回路都应以地作为电流返回的通道，鉴于地线上的阻抗不是零而形成电位差，地线与信号线间的电容耦合会进一步增加噪声干扰，因此，要尽量设置少的接地点或减小接地点间的距离。 3)PCB布线时，要注意各种器件的摆放，每个芯片必须配置去耦电容，功率大的元器件要求靠近电源位置，尽量减小电线长度，在电源和放大器的输出部分大面积敷铜。在进行线路板的走线时，先走地线及电源线。 6 试验仿真 6.1 工频干扰试验 工频噪声可以通过空间辐射、传导进入，通过对测量仪器加装金属屏蔽层，测试者手接触仪器外壳时，测试电路输出波形如图7所示；撤掉金属屏蔽层，测试者手接近仪器外壳时，测试电路输出波形如图8所示，从两图对比中可以看出50 Hz噪声得到有效抑制。 图7屏蔽时电路输出波形 图8无屏蔽时电路输出波形 6.2 验证调制采样电路、差分电路的有效性 为过滤掉电路失调等直流杂质信号，采用调制电路、差分电路。为验证电路的有效性，用示波器分别测量采样保持输入端波形和差分电路输出端波形，如图9所示。很明显，直流杂质被有效过滤。 图9差分电路后输出波形 6.3 测试数据 测试数据，如表1所示不同值的5次测量结果。 对于100 pA，测量平均值： =100.156 pA，测量误差为0.16%，测量重复性s=0.24 pA； 对于10 pA，测量平均值： =9.993 pA，测量误差为- 0.07%，测量重复性s=0.04 pA。 测量准确度、重复性达到预期目的，符合0.5级要求。 7 结论 随着电子测量技术的进一步发展，pA级别的电流测量在众多领域具有极其重要的地位，微电流测量极易受到环境条件和测量仪器自身噪声的影响。依据提出的测量方法设计的测量仪器经高、低温、电磁干扰等试验，对于10 pA电流，仪器准确度可达0．5级，具有较高的准确度和较好的测量重复性、稳定性。试验数据表明，去除工频干扰和直流误差的影响是减小微电流测量误差的主要因素。