聊聊六位半万用表电路（一）——保护

    写在前面：

    仪器仪表是比较考验综合实力的，高精密的仪表的电路设计有很多值得参考的，它可能涉及到信号调理，电源设计，高速电路设计，和一些嵌入式或者逻辑的编程，甚至有一些精妙的算法。

    掌握和学习其中一些模块，对其他项目迁移应用，是很有帮助的。路飞我本人也非常喜欢研究仪表电路的设计，也有过一些相关的经验，之前也跟大家分享过一些开源的示波器，电桥，电源的方案。

    这个系列，跟大家一起聊一下，六位半万用表电路的设计，主要参考是德的34401a和乐老师的JOY6.5和网上一些高手老师的资料。一起研究下相关的电路，看看电压电流电阻这些参数是怎么被高精度的采集到的。文中涉及的知识点比较多，很多东西不能详细介绍或展开，大家可以自己学习。这个系列希望能起到抛砖引玉的作用！    

第一部分 保护

本文主要讲保护，这里我们主要提两种：浪涌保护和钳位保护。当然保护环我也会在末尾提到。主要框架就这三部分。

    浪涌保护：

    这里主要是防雷。遇到雷击浪涌时，迅速以大容量泄放能量，同时烧断保险丝进行彻底保护。

    六位半万用表输入前级必须提供有效的高能量涌浪保护，常见的保护元件有如下几种

可以看出最优秀的保护器件是气体放电管，很大的通过电流，极小的漏电流，使之非常适合做前端保护，因为对于10KΩ （已经不算高了）源阻抗每100pA漏电流就会产生1uV的误差，所以整个输入回路漏电流一定要小。在HP34401的电路图中也是采用气体放电管串联压敏电阻进行ESD防护的，还用了spark gap。

Microchip  的EMC文档中详细介绍了一些保护电路的设计和选型。需要详细深入了解的发送关键词EMC01到后台即可。

     钳位保护：

保护后级电路输入电压在合理范围内，要求极低漏电流。

漏电流是PN结在电压反偏置时通过二极管的电流。容易造成测量误差。

上图是简单的钳位保护电路。是什么原理呢？

钳位的原理：看一张图吧，我就不多解释了：正反向高压，都被限制住了，保证运放输入范围可接受。

钳位的管子可以有如下选择：

小信号二极管：1N3595 等 nA 级（125V 反向电压，其实在±20V 环境下更小些）。

JFET：当二极管用pA 级（参见2N4117A 的DataSheet 和参考文献），电流和反向耐压较低。

低漏电流二极管：PAD1 pA 级；

低漏电流二极管:BAV199 pA 级；

小信号三极管的:BE 结 pA 级（lymex 实测S9014）

简单钳位电路会使二极管处于高反偏压，从而导致较大的漏电流，造成显著的误差，解决办法是在合法输入范围内使二极管处于零偏压（如下图），这种思路有些类似微弱电流检测的Guard 保护。

上面这个电路，带电位跟随的钳位电路，在合法输入范围内几乎没有漏电流，巧妙地让二极管零偏了，漏电流就小了。当然这个电路其他部分是什么功能？感兴趣的可以群里交流，我也会在之后的笔记源文件里分享，这里不做过多描述了。大家只要明白零偏的思路即可。

基于类似的思路，我们看看34401 的电流保护部分。

整流桥CR100 保护分流电阻两端的电压不大于 2*0.7 = 1.4V ，在正常情况下由于跟随器

U110-A的作用，整流桥的1，4 与AMPS 的电位相等所以不存在正向电流（仅为U110-A 的IB），相比低档DMM 只有正反并联二极管保护的电路精度要高一些。

当然，感兴趣的也可以自己pspice仿真一下，确实如此。会发现漏电流在十几pA,而不加这东西，用常用的元件漏电流在nA级别，差一个量级！

到这里，基本上两种保护方法就讲完了。由于其中涉及到一些保护环的东西，我以前做微弱电流采集，pA,uA,nA等，也用到了类似的技术，这里跟大家分享下保护环相关的知识，就当加个餐。更详细的漏电流及保护环知识可找我要我的笔记《印刷电路板漏电流以及保护环设计》。

加餐：保护环

在对微电流进行放大时，需要对输入端加上屏蔽环（guard ring）(也叫保护环)

目的使得同相端和反相端等电位，防止同相端通过电路板流向反相端产生的漏电流。

保护环要接到尽量低的阻抗点上，即被低阻抗的源所驱动。这一点是针对环外来说的，如果外界对保护环有漏电流，那么电流通过低阻抗源可以更容易导走，而不至于过多地影响环的电位。如下图所示，它是AD公司推荐的两种接法，前者是反相放大形式的接法，由于同相端接地，它的阻抗是0，所以保护环绕反相端保护，而接到同相端；后者是同相放大形式的接法，同相端的阻抗是很大的，所以相比之下，把保护环保护同相端而接到反相端更好。上图是保护环的画法，注意环的走线要短。