微电流测量电路设计

一、 引言在材料测试，静电研究等应用与研究中，常常需要测量一些uA、nA级的微弱电流(小于 10-6A 电流的测量称为微电流的测量)，对于微电流的测量一般有两种方法：取样电阻法 和运算放大器电流反馈法。取样电阻法的原理是在回路中接入取样电阻，根据欧姆定律，将 电流测量直接转换成电压测量，但要求取样电阻的值很大，而通常要求测量电压的仪器输入 电阻要比取样电阻大上1000 倍以上，指针式电流表和静电计通常使用这种方法。我们在实 用电路中通常使用放大器电流反馈法，本文就介绍一种简单的I/V转换电路，实现对微电流 的测量。二、测量原理 最基本的电流电压转换电路如下图所示，假定运算放大器是理想的运放，利用“虚短虚 断”的概念，可以得出：V 二一I RO S f输出电压V与测量电流I成线性比例关系，比例系数为R，因此只要适当选择R就O S f f可得到所需的放大倍数。但在实际应用中，完全理想的运算放大器是没有的，由于集成电路制造技术及工艺的影 响，必然存在会产生诸如输入失调电压，偏置电流等，放大器的开环增益也不可能无穷大， 故实际的输入输出关系为：V =_I R + (V - -o) +1 RO S f OS A B f其中V I A分别为运算放大器的失调电压、输入偏置电流和开环增益。实际放大 OS B器的误差为VAV 二V -o+IRO OS A B因此，只有满足被测电流远远大于运算放大器的偏置电流；被测电流所转换成德电压远远大于运放的失调电压；所选的运算放大器有足够大的开环增益,这也正是电流电压转换电路实现微电流的测量所要关注的。三、电路分析根据测量电路原理分析可知，对微电流的测量既要选择合适参数的运算放大器，又要设 计好电路的结构等。1、元件选择运算放大器应该近似为理想的运算放大器，才能满足测量要求，这就要求其开环放大倍 数和输入电阻为无穷大，才能保证输入端工作电流为零，也要求输出电阻为无穷小，保证输 出电压不随下级负载而变，同时还要选择零点偏移小、温度漂移小、噪声电压小的运算放大 器。通过对各个参数的综合比较，我们选择超低输入偏置电流运算放大器AD549KAD549K 是一款单芯片静电计运算放大器，具有极低的输入偏置电流。输入失调电压 和输入失调电压漂移经过激光校准，精度极高。这种极低输入电流性能采用topgte工艺完 成，输入级具有1015欧的共模阻抗，差模阻抗为1013 欧，其输入电流与共模电压无关。引 脚图如下所示：AD549K的最大输入偏执电流为30fA最大失调电压为0.25mV失调漂移为5uV/C, 最大输入电压噪声峰峰值为4uV在0.1赫兹到10赫兹，最大开环增益可达1000V/mV。取样电阻要求阻值高，固有干扰小，分布电容小，时间稳定性好，且对温度湿度以及加 在它上面的电压不敏感。2、电路设计具体设计电路如图三所示。该电路中运用两级运放，因为待测电流信号为nA级，所需放大倍数较高，若采用一级 放大，则需要R2约为1010欧,当R2过大时，会产生较大的电阻热噪声电流，增大了分布 电容，影响测量的精度和稳定性，而且R2过大，同时要求运算放大器的输入电阻更大以减 小分流。采用两级放大可以通过调整每一级放大倍数，来选择适当的R2，有效减小R2引 起的误差，并且第一级放大输出电压为反相，采用两级放大进行两次反相 ，可使最终输出 电压与输入信号同相。在信号输入端，R1、C1、D1、D2共同组成了输入信号限幅电路，加强输入端的保护。加入R3、R4也是为了减小R2的阻值，此时一级运算放大器输出电压为V =-O1R + RI R 34S 2 R3从上式可以看出，R2的值不必取得很大，只要通过调整R4与R3的比值，一样可以达到与高阻值R2相同效果的放大倍数。两级运算放大器在理想情况下的输出电压为：R + R R6SfRR35运算放大器所需的电源可由7815 和 7915 组成。运算放大器的每个电源端要接一个电 容，减小干扰。四、电路仿真仿真电路如图 4 所示。在该电路中我们选择电流源输入5nA , R2 = 500千欧,R3 = R4=10千欧，R5 = 100欧， R6=50千欧，第一级运算放大器输出电压为-4.05mV ,如果在理想情况下计算可得R + RV =-1 R 34 =-5mV，误差约为 1mV。O1S 2 R3如果改变电阻R2，第一级运算放大器的输出电压与理想情况下的输出电压的差会有不 同的改变。经第二级运算放大器，最终输出电压为2.274V。图 4、仿真电路II C21OOpFR6 .50kQ五、改进措施 减小干扰对微弱电流的放大是很必要的，其干扰源来自多方面，有的来自器件本身，有 的来自外部。除了选择稳定性好、噪声小的器件外，在电路、安装技术和工艺上也要采取一 定的措施。电阻要选用高精度、低噪声的铂金电阻， 电容选用低噪声的钽电容，电路板须选用高 绝缘材料板如复合型覆铜箔板。为了尽量减小干扰，输入信号最好要接屏蔽线。要选用绝缘性能好的电路板，在PCB布线时，要注意在规划各种器件摆放时应根据保 证PCB可靠性原则设定各个元件在电路板上的安装位置，每个芯片应就近配置去耦电容，功 率大的器件要求靠近电源, 尽量减小走线长度。 在电源部分和放大器的输出部分大面积敷 铜。在进行电路板的走线时, 先走地线与电源线, 通道的走线要尽量短等。参考文献1 林伟，付昌伟nA级电流检测电路和抗干扰技术研究 微纳电子技术2008,72 周红，夏勇，苏建坡，朱国逸. 电分析仪器中的微电流测量. 分析仪器 2000,23 王国荣.微弱电流的测量与I/F变换电路的设计.核电子学与探测技术2005,254 周波, 苏弘. 弱电流测试仪的研制. 核电子学与探测技术 2003,235 胡勇,朱震钧,史晓伦. 一种用于生物传感器的微电流检测系统. 仪表技术与传感器1997,66 于海洋,袁瑞铭,王长瑞,杜玉蕾. 微电流测量方法评述 华北电力技术 2006,117 管建明. 微弱电流信号的前置放大和分析. 电测与仪表 1994,38 严成义. 测量系统的抗干扰技术, 仪表技术 1996,69 童诗白模拟电子技术基础 第三版北京：高等教育出版社， 2001， 5