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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
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