微弱直流信号测量系统中的噪声与误差
来源：华强电子网 作者：—— 时间：2012-09-07 16:25
三、微弱直流信号测量系统中的直流误差
1、热电势
热电势是影响微弱直流信号测量的主要因素之一，热电势是由接触电势和温差电势共同作用的结果。
（1）接触电势
接触电势又称为帕尔帖效应，它是由于两种不同的导体内部电子密度不同，在接触面上扩散运动造成的，并且随着温度变化而变化。电子测量系统中，存在着多种导体，如铜、
金、银、锡、硅、锗、碳、铅、氧化铜等，必然存在接触电势。
（2）温差电势
温差电势是同一种导体当其两端温度不同，高温端电子向低温端迁移运动造成的，这一现象又称为汤姆逊效应。显然，电子测量系统由于温度场的分部不均，元器件内外温度不同，不同的区域温度不同，必然存在温差电势。
下面给出了几种金属接触时的热电势：
铜－铜：<=0.2μV/℃
铜－银：0.3μV/℃
铜－金：0.3μV/℃
铜－铅：1~3μV/℃
铜－锡：1~3μV/℃
铜－硅：400μV/℃
铜－氧化铜：~1000μV/℃
由上可见，当铜质材料连接不良，并且存在氧化时，热电势对微弱直流信号测量的影响是很大的。
为了减小热电势，尽可能采用同质联接材料，并减少热源温度，减少系统温差。
2、电化学电势
电子测量系统部件表面，如果存在焊渣，如果潮湿，如果手模后遗留汗渍，都会在其表面驻留电解质，由于系统中存在大量的不同的导体，就必然存在电化学电势。与热电势一样，系统内部的电化学电势的影响是可以消除的，但信号输入回路的电化学电势的影响有时难以消除。应对措施是：保持系统部件表面干燥、清洁，表面喷涂三防漆，采用同质材料。
3、介质吸收
当电介质（绝缘材料）两端施加电压后，电介质内部发生极化作用，当外加电压撤消后，电介质内部极化并非随即消失，而是逐渐消失，即电介质两端在一定时间（有时可长达几分钟甚至几小时）仍将存在一定电压。为了减小这种效应，除了选择吸收效应小的元器件和材料，还应避免在电介质两端施加超过几伏的电压。
4、放大电路的失调误差
运算放大器由于不可能完全匹配，必然存在失调电压和失调电流，失调电流流经电阻也将转变为失调电压。运算放大器的失调信号很多时候要比被测微弱信号大得多。此外，运算放大器的失调信号还会随着温度和时间而变化。在直流微弱信号测量中，应选用低失调、低温漂的运放。
4、共模误差
即使被测差分信号为零，如果差分信号对地存在共模电压，由于运算放大器的共模抑制比CMMR有限，放大电路的输出并不为零。例如，差模信号为0，如果共模电压为10V，CMMR为100dB，则仍将有100μV的输出。放大电路的输入级应采用高共模抑制比的
运放。值得一提的是：尽管采用的运放的CMMR很高（如140分贝），但差分电路的电阻的匹配精度有限，则实际的差分电路的CMMR有限。举例来说，如果运放的CMMR为140分贝，而电阻的精度即使高达0.01%，则差分电路的CMMR为80分贝，这意味着10V的共模电压，会产生1mV的误差，而被测信号只有微伏级或纳伏级！此外电阻还存在温漂！因此为使差分电路的CMMR足够高，必需对匹配电阻进行在线微调校正。
5、电源误差
由于运算放大器的电源抑制比PSRR有限，即使放大电路的输入不变，电源电压的静态变化也会引起输出的变化。例如，电源电压变化0.5V, PSRR为90dB, 输出将变化15.8μV. 所以测量微弱信号，要求电源电压平稳。
6、增益误差
设负反馈放大器的闭环增益为A,放大器的开环增益为K，放大器输入为Vi, 则放大器输出为：
VO=AKVi/(A+K)
由于放大器的开环增益K是随着温度、时间变化的，因此为了使放大器输出与开环放大倍数K无关，必须有K>>A，即单级放大器的闭环增益不可过大，否则，将会造称较大的误差。为减小增益误差，应选用开环放大倍数大的运放，同时单级放大器的闭环放大倍数应较小。
7、其它误差
（1）元器件特性
元器件的精度、温度特性、时漂应给予重视，如电阻的精度、温漂，电容的漏电
流，二极管、三极管的漏电流，电子模拟开关的漏电流、导通电阻，运放的失调电压、偏置电流，参考电压、电流的精度和稳定性，电位器的调节灵敏度等等。
（2）设计误差
对于微弱信号测量来讲，最重要的是输入级的设计，总的原则是提高输入端的信噪比，提高共模抑制比。在调制信号时，要考虑到调制开关、通道的参数的非一致性，以免引入调制误差。此外，要考虑电路响应时间和测量时序，否则也会引入较大误差。
四、结束语
微弱信号的测量不同于普通信号的测量，因为被测微弱电压信号可能只有μV级甚至nV级，被测微弱电流信号可能只有pA级甚至fA级，当信号小到一定程度，甚至要考虑空气中的射线导致的电离离子的影响。要将极其微弱的电信号从大的噪声和误差源中精确检测出来，就应当首先对影响其测量的各种噪声和误差加以分析。（责编：damon）
