[参考译文] 在单个导体电极上累积静态电荷时对 nV 至 UV 信号进行 MHz 放大

您好、Eugene、

感谢您访问精密放大器 e2e 论坛。 这是一个异常的应用和问题、但我们将尽力为您提供帮助。 如果您可以为我们提供探针和输入放大 器电路的原理图或图示 、我们  可以更轻松地将您尝试的操作可视化。

您提到的可变静态电荷为0V 至~1mV。 我假设这是您需要放大和观察的信号吗？ 20kV/V 至30kV/V 的增益乘以1mV 是20至30Vpk 的输出电平。 因此、您需要应用具有极低失调电压、低输入偏置电流和低噪声的更高电压运算放大器(+/-15V 至+/-18V 电源)。 否则、运算放大 器的微小误差、尤其是在第一个放大器级、可能会淹没您尝试观察的低信号电平。

控制电路中的静态积聚的一种常见方法是提供一条高阻抗接地路径。 例如、请考虑人们穿戴的常见 ESD 腕带、以避免电子元件和电路板在处理 ESD 事件时受到 ESD 事件的影响。 腕带通常 提供1兆欧的接地电阻以提供电流路径、但具有如此高的电阻、因此放电电流可保持在较低的安全水平。 您是否认为概念上类似的东西可能适用于您的应用？

此致、Thomas

精密放大器应用工程

感谢你的答复。  我会分享我能做的事情、但由于项目的性质、我能够提供的见解将会受到限制。  我现在回答问题、并提供历史记录、稍后再用图进行跟进。  另请注意、静态电荷应为0V ~ 0.1V。

可变静态电荷不是我要测量的、而是我要阻止的电荷。  将其视为与我的交流信号一致的直流源。  我要记录的是交流信号。  假设我的交流信号在10uVp-p 时为0.1Hz、电极上的静态电荷为100uV。  然后、我的放大器的输入是在95uV 和105uV 之间波动的交流信号。  因此、当我放大信号时、我会随信号一起放大偏移。  20kV/V 时、失调电压为2V、信号在1.9V 和2.1V 之间波动。  但是、如果我的信号较高或电荷较高、则会对放大器进行过驱。

整个系统实际上有两个电极。  我要记录的是这些电极之间的差异。  因此、如果您看看上述情形、并将两个相同的信号输入到差分放大器中、则差值将是直流电压。  在本例中、我在4V 处的放大偏移和我用比一个探针更低的信号对放大器进行过驱动。

我要记录的是这些电极之间的差异。  但是、由于应用的原因、两个电极上的静电荷并不相同。  这意味着、除非移除或平衡了静态电荷、否则无法记录真正的差异。  如果电荷平衡、但电压过高、则会使放大器过驱。  因此、我唯一真正的选择似乎是在放大之前移除电荷。

在现场测试中、在我参与此项目之前、尝试使用电阻器平衡电荷并未奏效。

为了帮助提供视觉效果...想象一下两个电极、它们在空间中悬浮、相隔一定距离、中间的介质充当绝缘体。  由于它们是浮动的、绝缘的和未接地的、因此它们会形成自己的、独立的、静态的电荷。  它们通过一根导线连接到由电池供电的 PCB、而不连接到接地。  需要记录的是两个电极之间的电势差减去静态电荷电势差。  

我无法释放静态电荷、因此我必须找到一种方法来阻止它。  我唯一能想到的是分别调制每个探头的输入。  然后、将这些信号耦合到变压器上、并将它们置于零伏或至少处于相同(极低)电势的中心位置。  然后、我需要解调信号、使其各个相位保持在调制状态。 此时、我将对其进行滤波并将其发送到差分至单端放大器级、然后记录我的输出。

您好、Eugene、

我必须要说的是工程挑战！ 困难 在于两个静态电势处于不同 的电平、因此它们之间的差异将被放大为差分信号。 当然、消除静态直流内容的最直观的方法是采用交流耦合 、但这种方法可能并不像看起来那样容易解决。

您的设计让我想起了几年前我就 医疗应用中的 ECG 电子产品所做的演示。  您的应用和 ECG 应用实际上有相似之处。 ECG 贴片 也可以在  它们之间产生直流电极偏移。  在这个应用 中、直观的方法也是使用电容耦合、但是已经开发出一个更好的方法来提供一个高通响应阻断直流、而无需使用大值输入耦合电容器。

该解决 方案利用一个精密仪表放大器(INA)、该放大器集成器从输出端连接回 INA 的基准输入引脚。 您可以 从我在原始 ECG 演示中准备的幻灯片中看到以下原理图：

下面是我准备幻灯片时提供的解释。 请注意、INA326输入未连接到滑块中的输入电极：

' INA326输出电压可以施加到基准引脚5上的电压为基准。 如果对同相输入施加0V、则输出将以0V 为基准、并且摆幅可以从0V 上升。 如果基准引脚设置为+2.5V、则输出可以在输出范围内上下摆动+2.5V。 该基准电压有时称为基座电压、因为它会将输出从接地端升高(0V)。

原理图中显示的积分器以同相输入端的+2.5V 为基准。 在直流电压下，积分器的增益非常大，如果在反相输入端看到偏离+2.5V 的任何偏离–这是 INA 输入端共模直流电压的结果-将导致输出端出现较大的直流电压。 然后，这个直流电压被施加到 INA326基准输入上，以将 INA 的输出驱动回+2.5V。

随着频率的增加、积分器的增益迅速下降。 因此，频率高于积分器-3dB 截止频率的交流信号对应用于 INA 的基准电压几乎没有影响。

最终结果是直流修复器电路可补偿直流共模电压、例如电极可能存在的电压。 它还提供具有截止频率的高通传输特性、该截止频率是积分器 RC 常数的函数。 这会导致一个等效于电容耦合放大器的电路、但在信号路径中没有任何电容器。 高质量、高电容的电容器通常很大且成本高昂、使用此技术可以避免使用。"

我很久没有研究过这个问题、希望我的解释完全正确！

仪表放大器提供可调增益、该增益通常是电阻器可编程的、并提供出色的共模抑制(CMRR)。 后者可确保共模50/60Hz 噪声获得 极高的抑制水平、否则可能会损坏预期信号。

实际仪表放大器通常可编程为高达1000V/V 的增益 由于您需要与20至 kV/V 增益相关的更多内容、其余部分可 由单个高性能运算放大器级提供。 双路运算放大器可用于提供积分器功能和第二个放大器功能。

请 注意 、由于电极 是浮动  的、因此 INA 输入偏置电流可能没有返回路径。  INA 将需要一个直流输入偏置电流路径、以在 实际电路中接地。  我在 下面展示了一个 pH 测量电路的示例、您可以通过 该解决方案看到直流返回。 INA116是一款传统器件、不推荐用于新设计、但所示图片 展示了以下概念：

我不确定您有哪些电源电平可为 INA 和运算放大器供电、但 TI 同时提供低压(<5.5V)和高压(高达+/-18V) INA 产品。 精密运算放大器也是如此。 一旦我们知道 您有哪些可用电源以及 INA 需要具有哪些输入电流电平、我们就可以提供一些产品建议。 也就是说、如果您决定尝试使用此电路方法、

此致、Thomas

精密放大器应用工程

您好 Thomas。  我希望您能有一个愉快的周末。  感谢您的深入了解。  我将绘制它并查看它在仿真中的工作原理。

这是放大器电路的设计。

在工作台上、它可以与一个 AD8428完美配合使用。  但是，他们与他人(即使是他们自己的)没有很好地发挥作用。  我相信添加电流源将有助于实现这一点。  电阻器用于尝试平衡电荷、而二极管用于保护。  放大器的规格为1.3nV/sqrtHz。  通过并联连接它们、我可以将其减小 sqrt2、sqrt2。。  在我的仿真中、这显示我的噪声频谱密度大约为0.2nV/sqrtHz。  我还有一个四阶无源低通滤波器设计、2kHz 时为-3dB。   

我尝试解决的解决方案之一是仅在每个电极上实现直流失调电压。  然后将其反馈为基准电压。  您在这里看起来就是这样的。

因此、如果我正确地阅读了您的解释、电极将连接到您的直流修复器电路的反相输入端。  如果我希望我的信号在0VDC 以上和以下振荡、我会将反相输入接地。  然后、我的输出将是一个正弦波、与静态电荷偏移极小或没有偏移。  我会为每个电极重复该电路。  是这样吗？

我需要研究电极返回路径的解决方案。

再次感谢您、

尤金

您好、Eugene、

关于您的问题：

因此、如果我正确地阅读了您的解释、电极将连接到您的直流修复器电路的反相输入端。  如果我希望我的信号在0VDC 以上和以下振荡、我会将反相输入接地。  然后、我的输出将是一个正弦波、与静态电荷偏移极小或没有偏移。  我会为每个电极重复该电路。  是这样吗？

实际上、仅使用一个仪表放大器、因为两个探头都将承受修复器电路提供的高通功能。 探针 连接到两个 INA 输入、 如我所包含的 INA116图像中所示。 如果只有一个探针、则会使用其中一个 INA 输入、而另一个则会接地 、前提是使用了+/-V 电源。 修复器电路中显示的 INA326是一个单个+2.7V 至+5.5V 电源器  件、其共模电压范围实际上比负电源轨低-20mV。 由于您有+/-15V 电源、因此具有低噪声、极低失调电压、 因此 INA818等 INA 是一个不错的选择。  OPA191等高电压 CMOS 运算放大器将是集成器的理想选择。

我汇总了 包含直流修复器电路的 INA818/OPA191仪表放大器电路的仿真示例。 添加了几个探头直流偏移发生器、以说明高通功能如何消除探头偏移。

我已经为您检查添加了我的 TINA 仿真文件。 但愿这对您有所帮助。

此致、Thomas

精密放大器应用工程

e2e.ti.com/.../INA818_5F00_DC_5F00_Restorer_5F00_01.TSC

Thomas、

非常感谢您的参与！  看起来它可能只是达到目的。  

我将 OrCAD 用于 PCB 设计、并将 PSpice 用于仿真。  我将在电路的其余部分进行处理、并让您知道它的外观。  访问 TI 网站获取数据表并查找 PSpice 模型目前面临挑战。  因此、可能是明天我才有机会构建它。

我一定会保持联系。  一切都很棒

尤金

您好、Eugene、

听起来像是一个计划。 我使用 INA818和 OPA191是出于方便目的、它们  很可能是 您可以在放大器/直流修复器应用中使用的放大器。 TI 还有其他 INA 放大 器、其噪声低于 INA818、您可以将它们并联以获得更低的噪声、如您使用竞争对手的仪表放大器所示。 我 没有理由 不 能将一个直流修复器集成器应用于多 个并联 INA 放大器。 仿真应验证情况。

您可以在 INA818和 OPA191产品网页上找到"设计和开发"选项卡。 访问后、您将看到列出了 PSpice 仿真模型。 这些模型已经过 PSpice 的全面测试。

此致、Thomas

精密放大器应用工程