SR570输入/输出过载分析

祁正兴，陆小龙，王 越，夏京川，赵世平

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

SR570输入/输出过载分析

祁正兴，陆小龙，王 越，夏京川，赵世平

（四川大学 制造科学与工程学院，四川 成都 610065）

微弱电流信号测量需求已越来越强烈，SR570是美国SRS公司研制的一款高性能低噪声电流前置放大器，广泛应用于微弱电流信号测量领域。针对该仪器使用过程中，因输入信号选择与参数设置不当易出现输入/输出过载的问题，本文首先对仪器内部电路工作原理进行了分析，然后指出了造成仪器输入/输出过载警告的原因。并在Proteus 7.0的ISIS Professional环境下搭建了报警电路的模型，对引起输入/输出过载的控制信号的上限值做了定量的分析，仿真结果表明控制信号的绝对值小于6.4 V时，可以有效避免仪器出现过载。这对仪器使用过程中输入信号的选择与参数的设置提供了理论依据。

微弱电流；SR570；输入过载；输出过载

在科研领域和军事领域对微弱电流信号测量的需求已越来越强烈[1-3]。所谓微弱电流信号通常指小于10-6A的电流信号[4]。目前常用的检测方法主要有I/V变换法和I/F变换法[5-10]。而测量的手段通常采用窄带滤波法、双路消噪法、锁定接收法、相关检测法、取样积分法、累加平均法以及基于随机共振的方法[11-13]。

SR570是美国的SRS（Stanford Research Systems）公司研制的一款高性能低噪声电流前置放大器，在微弱信号测量领域应用较为广泛。SR570首先利用I/V变换法将输入的微弱电流信号转换为电压信号，然后通过窄带滤波器滤除噪声信号，最中输出放大后的电压信号[14]。通常，在使用过程中因输入信号选择与参数设置不当易于出现输入/输出过载的警告，如果仪器长时间处于过载状态将会烧毁仪器内部电路。文中将基于Proteus 7.0仿真软件对造成仪器过载的原因进行分析。

1 SR570简介

SR570是一款电流前置放大器，它是将输入的微弱的电流信号放大为常用的电压信号的高性能集成放大器。其前面板如图1所示，前面板一共包括12个功能模块，分别为输入 （INPUT）、偏执电压（BIAS VOLTAGE）、偏置电流（INPUT OFFSET）、滤波器截止频率 （FILTER FREQ）、滤波器类型（FILTER TYPE）、增益选择（SENSITIVITY）、增益模式（GAIN MODE）、输出（OUTPUT）、翻转（INVERT）、复位（FILTER RESET）、电源（POWER）以及状态（STATUS）。SR570的特点主要包括以下几点[14]：

1）输入噪声低至5 fA/√Hz

2）最大带宽达到1 MHz

3）最大增益达到1 pA/V

4）具有可调节输入偏执电压和偏置电流

5）两个可配置的信号滤波器

6）具有3种增益模式：低噪声、低漂移以及高带宽模式

7）具有RS-232接口

图1 SR570前面板

SR570的内部电路原理框图如图2所示，可以将整个仪器的电路分为输入、滤波，以及输出3个模块。输入模块采用超低噪音运放AD743（或低输入失调电流运放AD546），利用I/V转换原理将微弱的电流信号转换为电压信号；滤波模块分为两级，每一级都有16个一阶RC滤波器组成，然后由控制器控制两个八选一开关电路74HC4051选择其中的一路通过，到下一级电路；最后在输出模块输出放大后的电压信号。

图2 SR570内部电路原理框图

输入/输出过载指示灯用于告知仪器操作者仪器的输入信号和放大倍数，以及放大模式的选择是否合适。输入过载指示灯亮起则表明输入回路的信号过大或者说动态储备[14-15]过小。只要出现输入/输出过载，应该立即采用减小放大倍数、减小输入信号或者改变为高带宽模式的方法来改善这种状态。

1.1 输入过载分析

分析SR570的内部电路，如图3所示为输入过载指示灯的电路。

图3表明输入过载是由两路信号控制的，其中一路信号是输入模块的输出FRONT_OUT，另一路信号是输入的微弱电流信号经AD743（或AD546）利用I/V转换放大后的电压信号I/V_OUT。输出信号经1 kΩ的电阻与二极管IN4148接入芯片LM393的2、5管脚。若FRONT_OUT、I/V_OUT为正电压，则通过 D405、D407与＋6 V的参考电压进行比较；若FRONT_OUT、I/V_OUT为负电压，则通过D406、D408与－6 V的参考电压进行比较。两个比较器的输出将会控制三极管2N3906的导通与关断，即当LM393的输入信号的绝对值大于6 V时，LM393输出为低电平，三极管导通，过载指示灯D62将会亮起。因此，当出现输入过载时，则表明LM393的输入电压的绝对值大于了6 V，此时要求减小放大倍数或者选择合适的增益模式。

1.2 输出过载分析

如图4所示，不同于输入过载电路，SR570的输出过载是由放大模块的输出OUT、第一级滤波的输出信号FILT1_OUT以及经LT1028放大的第二级滤波的输出信号FILT2_OUT_AP三路信号控制的。其中FILT2_OUT_AP信号表示经过第二级滤波处理之后再经运放LT1028放大之后的输出信号。如图5所示，第二级滤波输出的信号FILT2_OUT在集成COMS开关DG444的S1、S2、S3的控制下，分别给运放LT1028选择不同大小的反馈电阻，然后信号相应的会被放大1、2或5倍输出。

图3 输入过载电路模块

图4 输出过载电路模块

图5 FILT2信号的放大模块

比较输入、输出过载指示的电路，不同之处仅在控制信号的数目上，输入过载电路是由两路信号控制的，而输出过载电路是由三路信号控制的。与输入过载相同，只要三路输入电压的绝对值大于6 V，输出过载指示灯就会被点亮，表示输出过载。

2 仿真实验

在Proteus 7.0的平台下，在理想情况下对输入/输出过载进行了仿真实验分析。参照图2、图3在ISIS Professional环境下搭建了相同的电路模型，在控制输入端分别施加-7 V、-6.5 V、-6.4 V、0 V、+6.4 V、+6.5 V、+7 V的电压，观察输入/输出过载指示灯是否会被点亮。实验情况如表1和表2所示。

由表1和表2得，只要输入/输出过载的控制信号的绝对值大于6.4 V，对应的输入/输出过载指示灯就会被点亮。因此，在使用过程中，一定要选择合适的放大倍数，使得相应的输出信号不超过上限值。

表1 输入过载仿真实验数据

表2 输出过载仿真实验数据

3 结束语

SR570是一款高性能的电流前置放大器，放大倍数高达1 pA/V、输入噪声低至5 fA/√Hz、带宽达到1 MHz，且能够补偿使用环境中存在的各种噪声干扰。本文对仪器内部电路做了详细分析，并基于Proteus 7.0仿真软件对输入/输出过载电路进行了分析。仿真结果表明控制信号的绝对值小于6.4 V时，可以有效避免仪器出现过载，这对仪器使用过程中输入信号的选择提供了理论依据。

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Analysis for input/output overload of SR570

QI Zheng-xing，LU Xiao-long，WANG Yue，XIA Jing-chuan，ZHAO Shi-ping
（College of Manufacturing Science&Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

The demand for measuring weak current signal is increasing urgently，The SR570 is a highperformance low-noise current preamplifier developed by SRS Inc in USA，and widely used in the field of weak current signal measurement.To solve the input/output overload problems caused by improper input selection and incorrect parameters setting in using process，this paper analyzes the SR570's overall internal circuit firstly，and then reveals the causes of input/output overload problems.Simultaneously，it builds the same circuit models in ISIS Professional environment of Proteus 7.0，makes a quantitative analysis for the input/output control signals，simulation results show that instrument can effectively avoid overload if the absolute value of the control signal is less than 6.4 V.It's provided a theoretical basis of selection proper input and setting correct parameters.

weak current signal；SR570；input overload；output overload

TN722

A

1674－6236（2017）10-0087-04

2016-04-20稿件编号：201604197

祁正兴（1991—），女，甘肃武威人，硕士研究生。研究方向：精密测量技术。