微电流测量电路设计

摘要一、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：OSfVIR输出电压OV与测量电流SI成线性比例关系，比例系数为fR，因此只要适当选择fR就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：()OOSfOSBfVVIRVIRA其中OSBVIA分别为运算放大器的失调电压、输入偏置电流和开环增益。实际放大器的误差为OOOSBVVVIRA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：图1、AD549引脚图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/℃，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34123+OSRRVIRR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。图2、微电流测量电路图两级运算放大器在理想情况下的输出电压为：34635+OSfRRRVIRRR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34123+OSRRVIRR=-5mV，误差约为1mV。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2008,7[2]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2000,2[3]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2005,25[4]周波,苏弘.弱电流测试仪的研制.核电子学与探测技术2003,23[5]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1997,6[6]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2006,11[7]管建明.微弱电流信号的前置放大和分析.电测与仪表1994,3[8]严成义.测量系统的抗干扰技术,仪表技术1996,6[9]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