CN101944886A

CN101944886A - 自适应微电流放大器

Info

Publication number: CN101944886A
Application number: CN 201010278573
Authority: CN
Inventors: 潘银松; 汪瑛
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-09-10
Also published as: CN101944886B

Abstract

本发明涉及一种自适应微电流放大器，包括运算放大器，电阻R3，与电阻R3并联的用于抑制干扰信号的电容C，其中，运算放大器的正极接地，运算放大器的负极虚地，电流镜的两个输出端分别连接运算放大器的负极和无电流镜的比较器电路的输入端，电流镜的输入端接收电路输入信号，无电流镜的比较器电路的输出端与位信号连接；运算放大器与电阻R3和T型网络电路组成的反馈网络并联，电阻R3与输出端连接的一端有开关电路S1；T型网络电路的与输出端连接的一端有开关电路S2。本发明相比较传统的微电流放大器扩大了测量范围，克服了反馈电阻因阻值过大所带来的缺陷，同时，电流比较器(Comp)输出端给后续电路产生一个进位信号。

Description

自适应微电流放大器

技术领域

本发明涉及一种电流灵敏前置放大器，尤其涉及一种自适应微电流放大器。

背景技术

在光电流信号、生物电流信号或射线电流信号测量中，其电流信号通常变化缓慢且非常微弱，这时用磁电式电流计测量十分困难，而用静电计管来测量微电流又存在静电计管寿命短、体积大、稳定时间长以及供电复杂等缺点。随着高阻抗、高性能运放的出现，利用CMOS技术设计微电流比较器已经成了主要方式。图11是目前传统的微电流放大器，所述微电流放大器包括运算放大器，反馈电阻Rf，与反馈电阻并联的用于抑制干扰信号的电容C，运算放大器的正端接地，负端虚地，电流信号从运放的负端输入，经反馈电阻转换成电压信号输出，输出电压表示为：Vo＝Ii*Rf，其中Vo为放大输出电压，Ii为输入电流，Rf为反馈电阻值。这种微电流放大器存在测量范围有限，灵敏度比较低，遇到幅度范围较大的信号，则无法进行全范围测量。这种微电流放大器虽然理论上只要反馈电阻足够大，即使电流信号非常小，也能得到较大的电压信号。但若反馈电阻阻值非常大，其阻止在MΩ及以上时，而实现电阻阻值非常大的反馈电阻有以下缺点：1.如果使用方块电阻来实现，则需要消耗非常大的电路版图面积，同时也会产生大的寄生电容、寄生电阻以及热噪声；2.如果采用MOS管来实现，则反馈电阻的阻值的线性度和精确度都比较差。

发明内容

本实用新型解决的技术问题是：提供一种能够根据输入电流的大小自动调节反馈电阻的阻值的自适应微电流放大器，本发明相比较传统的微电流放大器扩大了测量范围，克服了反馈电阻过大所带来的缺陷，同时，电流比较器(Comp)输出端为后续电路产生一个位信号。

本发明的技术方案是：

自适应微电流放大器包括运算放大器，电阻R3，与电阻R3并联的用于抑制干扰信号的电容C，其中，运算放大器的正极接地，运算放大器的负极虚地，电流镜电路4的两个输出端分别连接运算放大器的负极和无电流镜的比较器电路的输入端，电流镜电路4的输入端接收电路输入信号，无电流镜的比较器电路1的输出端与位信号连接；运算放大器与电阻R3和T型网络电路2组成的反馈网络并联，电阻R3与输出端连接的一端接CMOS开关电路3的S1开关；T型网络电路2与输出端连接的一端接CMOS开关电路3的S2开关。

所述电流镜电路4由3个NMOS管M1、M2、M3组成，其中NMOS管M1、M2、M3的源极接地，NMOS管M1、M2、M3的栅极相连并与M1的漏极相连，电流输入信号从M1的漏端输入，NMOS管M2的漏极与电流比较器的输入端连接，NMOS管M3的漏极与放大电路的运算放大器负端及反馈网络端连接。

所述CMOS开关电路3由一个NMOS管和一个PMOS管串接组成，其中NMOS管和PMOS管的源极相连接，漏极相连接，作为开关的输入与输出，时钟控制信号接NMOS管的栅极，并经过一个反相器接PMOS管的栅极。

所述无电流镜的比较器电路1由PMOS管和NMOS管组成，其中PMOS管M1，M2和NMOS管M3组成N支输入电路，PMOS管M4和NMOS管M5、M6组成P支输入电路，PMOS管M9与NMOS管M10组成反相器，PMOS管M11与NMOS管M12组成反相器，M1，M4，M7，M9和M11的源极接电源，M1的漏极，M2的源极，M4的漏极，M5的栅极和漏极与M7的栅极连接并接输入电流i1，M2的漏极和栅极，M3的漏极，M5的源极，M6的漏极与M8的栅极相连接并接输入电流i2，M3，M6，M8，M10和M12的源极接地，M7的漏极，M8的漏极与M9，M10的栅极连接，M9的漏极，M10的漏极与M11和M12的栅极连接，M11的漏极与M12的漏极连接作为输出端。

所述T型网络电路2由3个电阻Rf、R2、R1组成，其中电阻Rf与电阻R2串接，电阻Rf与电阻R2之间并联电阻R1。

本发明的有益效果是：电流镜将电流信号复制成两路，一路电流信号输送到运算放大器，另一路电流信号输送到电流比较器，电阻R3的一端连接CMOS开关电路的S1开关形成第一支路反馈电阻；T型电阻网络2的Rf、R2与CMOS开关电路的S2开关连接形成第二支路反馈电阻；电流比较器比较来自电流镜的一路电流信号的大小，并根据比较出的电流信号的大小输出相应的高电平信号或低电平信号，而CMOS开关电路的S1开关和S2开关根据电流比较器输出的电平信号实现导通/截止：当电流比较器输出高电平信号时，控制S1开关导通，S2开关截止，运算放大器中的电流信号流经第一支路反馈电阻；当电流比较器输出低电平信号时，控制S2开关导通，S1开关截止，运算放大器中的电流信号流经第二支路反馈电阻，由此运算放大器实现了根据电平信号不同在第一支路反馈电阻和第二支路反馈电阻之间选择一个反馈电阻。本发明相比较传统的微电流放大器扩大了测量范围，克服了反馈电阻过大所带来的电路版图面积大、寄生电容、寄生电阻以及热噪声大以及反馈电阻的阻值的线性度和精确度比较差等缺陷，同时，电流比较器(Comp)输出端产生一个给后续电路进行位信号。

附图说明

图1为自适应微电流放大器的电路图；

图2为T形网络电路的电路图；

图3为电流比较器的电路图；

图4为CMOS开关电路图；

图5为低频信号瞬态响应图(1)，其中图51为输入电流信号波形，图52、为S1控制信号波形，图53为a支路信号波形，图54为S2控制信号波形，图55为b支路信号波形，、图56为输出信号波形。

图6为低频信号瞬态响应图(2)图中(a)中0-125ns的波形图；

图7为直流信号瞬态响应图；

图8为电流器电路的低频信号瞬态响应图；

图9为电流比较器电路的时间相应图；

图10为自适应微电流放大器的信号流程图；

图11为现有技术的电路图。

具体实施方式

参见图1-图4，自适应微电流放大器，包括运算放大器，电阻R3，与反馈电阻并联的用于抑制干扰信号的电容C，其中，运算放大器的正级接地，运算放大器的负级虚地，电流镜电路4的两个输出端分别连接运算放大器的负极和无电流镜的比较器电路的输入端，参见图2电流镜电路4由3个NMOS管M1、M2、M3组成，其中NMOS管M1、M2、M3的源极接地，NMOS管M1、M2、M3的栅极相连并与M1的漏极相连，电流输入信号从M1的漏端输入，NMOS管M2的漏极与电流比较器的输入端连接，NMOS管M3的漏极与放大电路的运算放大器负端及反馈网络端连接。参见图4，所述无电流镜的比较器电路1由晶体管PMOS和NMOS组成，PMOS管M1，M2和NMOS管M3组成N支输入电路，PMOS管M4和NMOS管M5、M6组成P支输入电路，PMOSM9与NMOSM10组成反相器，PMOSM11与NMOSM12组成反相器，M1，M4，M7，M9和M11的源极接电源，M1的漏极，M2的源极，M4的漏极，M5的栅极和漏极与M7的栅极连接并接输入电流i1，M2的漏极和栅极，M3的漏极，M5的源极，M6的漏极与M8的栅极相连接并接输入电流i2，M3，M6，M8，M10和M12的源极接地，M7的漏极，M8的漏极与M9，M10的栅极连接，M9的漏极，M10的漏极与M11和M12的栅极连接，M11的漏极与M12的漏极连接作为输出端。运算放大器与反馈电阻R3之间并联有T型网络电路2，所述T型网络电路由3个电阻Rf、R2、R1组成，电阻Rf与电阻R2串接，电阻Rf与电阻R2之间并联电阻R1。电阻R3的一端连接CMOS开关电路3的S1开关形成第一支路反馈电阻a；T型网络电路2的输出端连接有CMOS开关电路的S2开关。T型电阻网络的电阻Rf与电阻R2串接后与开关电路S2的输入端连接，形成反馈支路b。参见图3，开关电路CMOS3由一个NMOS管和一个PMOS管串接组成，其中NMOS管和PMOS管的源极相连接，漏极相连接，作为开关的输入与输出，时钟控制信号接NMOS管的栅极，并经过一个反相器接PMOS管的栅极。

参见图10，本发明所述的自适应微电流放大器，工作时的信号传输过程如下：传感器或探测器接受激励产生微电流信号，信号进入模拟读出电路(自适应微电流放大器)，在微电流放大器内转换成电压信号，经去噪，去噪电路可由CDS电路或带通滤波电路(参见《CMOS模拟集成电路》，作者Phllip E Allen，译者冯军，北京电子工业出版社，2005年版)组成，放大后被ADC转换成数字信号，再进入单片机或计算机处理，最终显示出来。

本实施例的电路信号工作流程具体如下：传感器产生的电流信号，经过由晶体管M1、M2、M3组成的电流镜，被复制成两路信号。一路输入电流比较器(Comp)，一路输入运算放大器的运放。电流比较器(Comp)的比较电流是10uA，当电流信号高于10uA时，电流比较器(Comp)输出高电平，CMOS开关电路的S1开关导通，CMOS开关电路的S2开关截止，运算放大器中的电流信号流经反馈支路a。反馈支路a上的电阻阻值为10KΩ，可将100nA-10uA的电流信号转换成1mV-100mV的电压信号。若电流信号低于10uA时，电流比较器(Comp)输出低电平，控制CMOS开关电路的S1开关截止，S2开关导通，运算放大器中的电流信号流经反馈支路b。反馈支路b支路上的电阻由T型网络电路组成，其等效阻值为1MΩ，可将1nA-100nA的电流信号转换成1mV-100mV的电压信号。这样，便将1nA-10uA的电流信号转换成两个范围相同的电压信号，均为1mV-100mV，扩大了测量范围，并且克服了反馈电阻过大所带来的各种缺陷，同时，电流比较器(Comp)输出端产生一个位信号，提供给后续电路进行信号处理。

参见图5当输入电流信号从1nA开始线性增长，输出信号也随之从1mV开始线性增长，当输入电流信号达到100nA时，输出信号达到100mV，并变到1mV，继续随着输入信号的增长而增长，当输入信号达到10uA时，输出信号达到100mV，反之亦然。

参见图6-图7，M0-M8点分别是输入信号为1nA，5nA，10nA，50nA，100nA，500nA，1uA，5uA，10uA直流信号时的电压输出，电流信号分别被转换成了相应的电压信号值，并且小于100uA和大于100uA的电流信号的转换倍数，被电路自动进行了转换。

参见图2，电阻Rf，R1，R2，构成T型网络电路，则输出电压表达式为

Uo＝-(Rf+R2+RfR2/R1)Ii

当R2＞＞R1时，表达式可化简为

Uo＝-(1+R2/R1)Rf*Ii

如此，T型网络电路的等效阻值为

R＝(1+R2/R1)Rf

如此，便用阻值较小的电阻，达到数值较大的比例系数，并且具有较大的输入电阻。

传统的CMOS电流比较器的设计是以电流镜为基础的，这就必然会引入由于电流镜误差而产生的输入电流失调，极大地降低比较器的精度。

本发明采用无电流镜结构的电流比较电路。所述无电流镜的电流比较电路中的M1，M2，M3晶体管组成N支输入电路，静态时，M1，M2，M3都工作在饱和区。当有信号输入时，随着i1的上升，流经M3的电流上升，而它的栅源电压不变，因此它的漏电压Vd3上升。即M2的栅电压Vg2上升。由于M3工作在饱和区，所以i1发生较小的波动时，M2的栅电压Vg2都会发生较大的变化。反之，如果i1减小或i2上升时，Vg2下降。因此适当调节M1，M2，M3的宽长比，使得当i1＝i2时，Vg2的值为M8的栅电压。这样，当有输入信号加入时，若i1＞i2时，Vg2上升，M8导通；i1＜i2时，Vg2下降，M8截止。

M4，M5，M6晶体管组成P支输入电路，其原理与N支输入电路相同，最终当i1＞i2时，M7截止，当i1＜i2时，M7导通，从而实现i1＞i2时，比较器输出高电平；i1＜i2时，比较器输出低电平。

参见图8-图9，两图中的曲线1均为输入电流，曲线2均为输出电压。图8中，当输入电流信号小于100uA时，输出电压为高电位1.8V，当输入电流信号大于100uA时，输出电压为低电位0V。由图9可以看出，响应时间为4.5ns，建立时间不到1ns。

结论：1nA-100nA和100nA-10uA的电流输入信号被转换成两个范围相同的电压信号，均为1mV-100mV，相比较传统的微电流放大器扩大了测量范围，并且克服了反馈电阻过大所带来的电路版图面积大、寄生电容、寄生电阻以及热噪声大以及反馈电阻的阻值的线性度和精确度比较差等缺陷，同时，电流比较器(Comp)输出端产生一个位信号，提供给后续电路进行信号处理。

Claims

1.一种自适应微电流放大器，包括运算放大器，电阻R3，与电阻R3并联的用于抑制干扰信号的电容C，其中，运算放大器的正极接地，运算放大器的负极虚地，其特征在于：电流镜电路4的两个输出端分别连接运算放大器的负极和无电流镜的比较器电路的输入端，电流镜电路4的输入端接收电路输入信号，无电流镜的比较器电路1的输出端与位信号连接；运算放大器与电阻R3和T型网络电路2组成的反馈网络并联，电阻R3与输出端连接的一端接CMOS开关电路3的S1开关；T型网络电路2与输出端连接的一端接CMOS开关电路3的S2开关。

2.根据权利要求1所述的自适应微电流放大器，其特征在于：所述电流镜电路4由3个NMOS管M1、M2、M3组成，其中NMOS管M1、M2、M3的源极接地，NMOS管M1、M2、M3的栅极相连并与M1的漏极相连，电流输入信号从M1的漏端输入，NMOS管M2的漏极与电流比较器的输入端连接，NMOS管M3的漏极与放大电路的运算放大器负端及反馈网络端连接。

3.根据权利要求1所述的自适应微电流放大器，其特征在于：所述CMOS开关电路3由一个NMOS管和一个PMOS管串接组成，其中NMOS管和PMOS管的源极相连接，漏极相连接，作为开关的输入与输出，时钟控制信号接NMOS管的栅极，并经过一个反相器接PMOS管的栅极。

4.根据权利要求1所述的自适应微电流放大器，其特征在于：所述无电流镜的比较器电路1由PMOS管和NMOS管组成，其中PMOS管M1，M2和NMOS管M3组成N支输入电路，PMOS管M4和NMOS管M5、M6组成P支输入电路，PMOS管M9与NMOS管M10组成反相器，PMOS管M11与NMOS管M12组成反相器，M1，M4，M7，M9和M11的源极接电源，M1的漏极，M2的源极，M4的漏极，M5的栅极和漏极与M7的栅极连接并接输入电流i1，M2的漏极和栅极，M3的漏极，M5的源极，M6的漏极与M8的栅极相连接并接输入电流i2，M3，M6，M8，M10和M12的源极接地，M7的漏极，M8的漏极与M9，M10的栅极连接，M9的漏极，M10的漏极与M11和M12的栅极连接，M11的漏极与M12的漏极连接作为输出端。

5.根据权利要求1所述的自适应微电流放大器，其特征在于：所述T型网络电路2由3个电阻Rf、R2、R1组成，其中电阻Rf与电阻R2串接，电阻Rf与电阻R2之间并联电阻R1。