ISFET 传感器偏置电路（精选3篇）

ISFET 传感器偏置电路 第1篇

ISFET 传感器偏置电路

ISFET（离子敏感场效应晶体管）可用于测量流体的酸性。精确的测量要求ISFET的偏置条件（ID和VDS）保持恒定，同时栅极直接接触被测流体。流体的酸性改变通道宽度，从而产生一个与流体的PH值成正比例的栅极-源极电压VGS。图1所示电路是一种更简单、更精确的实现方法。电压VA通过ISFETQ1设定漏极电流ID，而电压VB设定Q1的漏极-源极电压VDS。两个AD8821型高精度测量放大器IC1和IC2均配置得具有等于1的增益。IC3是AD8627型精密JFET输入放大器，它缓冲漏极电压VD，确保流经R1的电流全都流经Q1。

图1，该电路为ISFET（用于测量流体酸性的传感器）提供理想的偏置。

为了控制ID，放大器IC1迫使其输出端和参考输入端之间的差分电压等于其差分输入电压VA。由于检测到的差分电压等于R1两端的电压，因此ID=VA/R1。在R1设定为20kΩ时，ID可按50mA/V增减。同样，放大器IC2迫使其输出端和参考输入端之间的差分电压等于其差分输入电压VB，从而迫使VDS等于VB。（注意：如果您的设计不需要单独调节VDS和ID，则电路可以根据一个控制电压来工作。把VA和VB连在一起，并用所要求的电压VDS来驱动它。于是R1等于VDS/ID。）有关电压VGS介于IC2的栅极电压和输出电压之间。该电路有一个很有用特点，即电流源是浮动的，从而使栅极电压能连接到电路的.共模范围内的任何电压。该电路的VG范围是(VA+2-VEE)

图2，该配置显示出图1所示电路连接到ADC时所具有的浮动栅极的优点。

图2示出了该电路连接到AD7790型差分输入Σ-ΔADC时具有的浮动栅极的优点。栅极电压直接连接到ADC参考引脚。VS（或VG）端和ADC输入端之间所需的唯一信号调节电路就是一个简单的RC滤波器。在电流大于1mA时，电阻器R1的0.1%误差在电流源误差中占据主导地位，因此，在漏极电流高达250mA时，R1的0.1%误差就是小于250nA。VDS的误差是由IC3的增益误差以及IC2和IC3的输入偏移电压产生的。漏极-源极电压高达2V时，漏极-源极电压的误差小于450mV。

分压式偏置电路的静态分析 第2篇

1 分压式偏置电路的静态分析问题

在放大电路的研究中, 温度对放大电路静态工作点的影响非常大, 而分压式偏置电路可以很好地解决这一问题。分压式偏置电路是一种稳定静态工作点效果非常好的电路, 其分析方法的难度主要体现在静态分析方面, 虽然目前学习领域中有“估算法”、“戴维宁定理等效计算法”以及“基尔霍夫两定律求解法”等多种静态分析方法, 但是由于许多教材中大多采用的是估算的方法, 而且给予的适用条件不是非常的直观明了, 使得许多学习者在进行分压式偏置电路的静态分析时, 不能够准确的选择适合的、正确的分析方法, 加大了学习的难度。因此, 下文通过对“估算法”、“戴维宁定理等效计算法”以及“基尔霍夫两定律求解法”等几种主要的静态分析方法进行分析比较, 探究分压式偏置电路静态分析方法的种类与选择要点。

2 分压式偏置电路的静态分析方法

2.1 估算法

首先, 对分压式偏置共射极放大电路 (图1) 进行静态分析时, 须模拟出分压式偏置共射极放大电路的直流通路, 如图2 所示:

结合图2, 当分压式偏置电路满足I1>>IBQ这一条件时, 可以采用“估算法”这一静态分析方法来进行分压式偏置电路静态工作点的计算工作。该法的静态分析流程如下所示:

由于分压式偏置电路满足I1>>IBQ这一条件, 因此, IBQ在计算时可以忽略不计。从图2 的输入回路测来看, 可得

而根据

可得

然后对输出侧列写回路方程可得

这种“估算法”分压式偏置电路的静态分析方法从计算静态工作点的方面来讲, 具有运算简单、方便的优势和特点。然而由于其需满足I1>>IBQ这一条件, 因此, 在进行静态分析时, 计算不是非常的直观明了, 尤其是对于学习人员来说, 计算时一般不能够简单直观地从已给的参数电路中准确判断出是否满足I1>>IBQ这一条件。因此, 在实际的分压式偏置共射极放大电路的静态分析时, 许多学习人员由于怕计算时产生误差, 往往不会以“估算法”为第一考虑方法。

2.2 戴维宁定理等效计算法

采用“戴维宁定理等效计算法”时, 首先需要画出分压式偏置共射极放大电路静态分析的戴维宁定理等效电路, 如图3 所示:

将图2 中戴维宁定理等效电路的三极管基极进行断开, 就会产生一个含源二端网络, 这时, 分析者就可以利用戴维宁定理进行等效计算来进行静态分析了。该静态分析流程可以从图3 中看出, 根据戴维宁定理可得:

然后对输入侧列写回路方程可得

同时, 对于图2 中的三极管有以下等式

结合公式 (8) 和公式 (9) 可得

然后对输出侧列写回路方程可得

这种“戴维宁定理等效计算法”相较于第一种“估算法”, 优势在于它无需满足I1>>IBQ这一条件, 计算时不会受到限制, 应用面更为广泛, 能够满足任何参数的分压式偏置电路的需求, 所以, 应用起来效果更好。但是, 它的不足之处在于, 这种“戴维宁定理等效计算法”从始至终都需要用到其核心定理:“戴维宁定理”, 因此, 计算过程相较于“估算法”要相对复杂一点, 而且其需要计量分析人员事先能够熟练地掌握戴维宁定理, 如果测量分析人员事先并没有学习过戴维宁定理, 那么应用起来会非常的困难。

2.3 基尔霍夫两定律求解法

对于没有学习或者掌握戴维宁定理等效计算法的计量分析人员来说, 基尔霍夫两定律求解法是另一种非常优秀的分压式偏置电路的静态分析方法, 测量分析人员可以利用基尔霍夫两定律求解法为辅助工具直接进行计算。结合图2 分压式偏置共射极放大电路直流通路的电路图, 由基尔霍夫电压定律可得:

其中有

同时由基尔霍夫电流定律可得:

将公式 (15) 代入进公式 (12) 可以得到I2的公式, 然后再将得到的I2的公式和公式 (14) 代入到公式 (13) 可得:

然后对输出侧列写回路方程可得

对比公式 (10) 和公式 (16) , 可以明显看出应用戴维宁定理等效计算法和基尔霍夫两定律求解法二者所得的IBQ表达公式是基本相同的, 因此, 对于事先没有学习或者了解过戴维宁定理的计量分析人员来说可以采用这种方法。

3 结论

根据上述三种分压式偏置电路的静态分析方法对比可知, 这三种计量分析方法在对于输出回路UCEQ的计算量方面是一样的, 而差异主要表现在计算输入回路的IBQ的表达公式上。估算法的计算量较少, 对于应用者而言使用较为简便, 但有I1>>IBQ这一条件限制。而戴维宁定理等效计算法和基尔霍夫两定律求解法的计算不会受到条件的限制, 但是计算过程相对较复杂一点。分析人员可以根据实际情况选择合适的分析方法进行计算。

摘要：本文通过对分压式偏置电路的静态分析过程中的问题进行分析, 分别介绍了“估算法”、“戴维宁定理等效计算法”以及“基尔霍夫两定律求解法”这三种主要的静态分析方法, 并且通过对这三种分析方法进行科学比较, 得出关于这三种分析方法的相关结论。

关键词：分压式,偏置电路,静态电路

参考文献

[1]董华, 童立君.分压偏置式共射电路静态分析之中外教材对比研究[J].南昌航空大学学报 (自然科学版) , 2015 (02) :8-9.

[2]吴位巍.关于电压放大电路静态工作点稳定性的定量分析[J].四川师范大学学报 (自然科学版) , 2014 (02) :71.

压电加速传感器应用电路分析 第3篇

【关键词】压电加速传感器；测量电路；应用电路

0.引言

在现代工业和自动化生产中，需要大量非电物理量的测量以及过程控制，其中涉及到大量动态测量问题，压电加速传感器利用压电效应，可以有效的测量加速度、压力、力等参数，被广泛应用于现代工业和自动化生产中，但压电加速传感器所产生的电荷量很小，如果采用一般测量电路工作，输入阻抗过小会造成电阻迅速泄漏产生测量误差，因此必须有与之配套的测量电路，才能保证压电加速传感器的工作可靠性。目前一般采用电荷放大器作为压电加速传感器的测量电路，但这种电荷放大器电路较为复杂，性价比不高且稳定性不强。下面，本文拟采用TL081运放芯片优化压电加速传感器的测量电路，以简化电路降低功耗，降低压电加速传感器测量电路的制作与调试成本，促进压电加速传感器的推广运用。

1.压电加速传感器的电输出特性

1.1晶体压电效应

某些晶体在受到外力作用时，其内部产生极化现象并在表面产生相反的电荷，当外力消失后又会回复至不带电状态，外力作用方向发生变化时，所产生电荷极性会随之改变，同时所产生的电荷与外力大小成正比关系，这种现象称为压电效应，压电加速传感器正是利用晶体的这种压电效应作为转换原理进行工作的自发式传感器。

1.2压电加速传感器的工作原理

压电加速传感器的结构可以简化为质量块、压电元件、支座三个部分，支座直接与待测物刚性固定，待测物运动时支座会与待测物一起运动，处于中间的压电元件因质量块和支座的原因，受到惯性力的作用而在晶体表面产生交变电荷。在振动频率处于一定范围时，该电荷的大小与作用力成正比。电信号经放大器放大后，即可利用一般的测量仪器来测量电荷的大小，再对比转化为物体加速度。

1.3压电加速传感器的测量电路

由于压电加速传感器内阻很高，所产生的电信号十分微弱，很难直接对该电信号进行显示和记录，必须进行阻抗变换和信号放大处理。目前，一般采用增加前置放大电路的方法，一方面将微弱的电信号方大， 另一方面将高阻抗变为低阻抗。由于压电传感器的等效电路有电压输出和电荷输出两种，因此前置放大电路也有电压放大和电荷放大两种。电压放大器将高阻抗变为低阻抗，同时将电压信号放大；电荷放大器则是将输出电压正比于输入电荷。

2.电荷放大器电路分析

2.1电荷放大器基本原理分析

压电加速传感器测量电路中所使用的电荷放大器，实际上是一种负反馈放大电路，通过电荷放大器，能获得同输入电荷成比例的输出电压，将高内阻电荷源转化为低内阻电压源。电路输入电缆长度和运算放大器频响都会对电荷放大器的频率上限产生影响，如果输入电缆过长，将会增加杂散电容和导线自身电阻，从而对放大器的高频特性产生不良影响。

2.2电荷放大器电路分析

电荷放大器一般包括电荷转换元件、适调放大器元件、滤波器、过载指示器、稳压电源等几个部分。电荷转换元件是电荷放大器的核心元件，将压电传感器的电荷信号转化为电压信号，在理想情况下电荷转换元件部分电路的输入电阻应当达到无穷大。目前所采用的集成高阻输入级运放，其输入阻抗已经可达1012Ω，有效降低了场效应管的需要，极大的简化了电荷转化元件。T1081芯片输入阻抗为1012Ω，同时还集成了内部调零电路，能有效的满足电荷转换元件输入电阻的需要，可以有效的提高电荷转换电路集成度，并降低系统成本。不过，为了保证测量精度，其反馈电容的精度必须保证在0.5%以下，一般采用精密聚苯乙烯电容。

2.3电荷放大器噪音干扰和漂移分析

电荷放大器对噪音干扰极为敏感，其主要干扰源主要存在于分布电容耦合至输入端，以及电缆引入线。当50赫兹市电通过分布电容耦合至输入端以及电缆引起入线时，会产生极大的干扰信号，因此必须在电荷放大器输入端做好屏蔽以等效交流干扰源。此外，电荷放大器对漂移也极为敏感，电荷放大器的漂移主要来源于输入电路存在的失调电压和失调电流，在构建电路时，一般在放大器级间增加隔真电容，以减少直流漂移，最终实现电荷放大器的零漂移。

2.4电荷放大器低通滤波元件分析

压电加速传感器实际上是一个阻尼振动系统，其高频段存在一个极高的共振峰，会造成高频噪声，使输入信号失真并形成干扰。为了避免高频噪声所造成的信号失真和干扰效应，需要在电荷放大器中增加低通滤波器，从而补偿高频幅频。此外，不少系统的电荷放大器设计通频带一般都高于实际需要，无用的高频频带也会对低频测量带来负面影响，利用低通滤波器可以使无用高频分量衰减，而让低频交流分量顺利通过。目前所使用的滤波器有LC和RC两类，无源RC线路简单，具有较好的抗干扰性，低频范围工作性能较好，但其阻抗频率的谐振性能较差，在使用中需要增加运算放大器等有源元件构成有源RC低通滤波系统。

2.5输出放大电路分析

输出放大电路包括高通滤波和同相电压放大两部分，在电荷转换时电路直流放大倍数极大，使得输出零点跳动增加，同时还存在直流漂移的影响，因此必须在低通滤波系统后面增加一个高通滤波系统，以减去直流漂移的影响。但增加了高通滤波系统后信号会产生衰减，同时整机的增益还需改变，因此还需要在高通滤波系统后面增加同相电压放大器，以保证输出信号与压电加速传感器输出信号同相位。

2.6稳压电源和过载指示电路分析

在压电加速传感系统中，需要先将军220V市电转化为了20V交流，再将20V交流进行整流，最终再将整流的电压接入作为供电电源。为了避免整流后的直流电压纹波电压的影响，需要在电源端接入滤波电容，以避免纹波电压的干扰。过载指示电路则是为了监视电荷放大器的工作状态，当电压过载时发出指示信号。

【参考文献】

[1]陶玉贵.压电加速度传感器测量电路研究[J].科技视界，2011（02）.

[2]王兴举，李进盟.压电式传感器测量电路的性能分析[J].传感器世界，2007（05）.