CN102680776A - 一种宽量程微电流对数检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽量程微电流对数检测装置，该装置用于实现10^-12A～10^-6A微弱电流的对数快速检测，其特征在于，所述装置包含：依次串联连接的滤波电路、对数变换电路、零点补偿电路和斜率补偿电路，其中，所述滤波电路的输入端为该宽量程微电流对数检测装置的输入端，用于输入待测的微电流；所述对数变换电路将微电流对数转化为电压信号；所述斜率补偿电路的输出端为该宽量程微电流对数检测装置的输出端，用于输出经过上述电路的微电流转换成的电压信号。本发明采用结型场效应管、静电计放大器、零点补偿电路、斜率补偿电路和输出钳位电路等，无需量程机械切换装置，只需调整相应零点电位和放大倍数，即可实现10^-12A～10^-6A微弱电流的对数快速检测。

Description

一种宽量程微电流对数检测电路

技术领域

本发明涉及一种宽量程微电流对数检测电路，可对10^-12A～10^-6A电流进行对数检测，应用于电离真空规电流检测、光电流检测以及其它微电流检测领域。

背景技术

随着真空技术的发展，真空技术已从以往的高真空发展到超高真空甚至极高真空，对真空度的测量要求进一步提高，真空度跨度大，范围宽，电离真空计将真空度转化成的总量离子流也呈现出电流微弱、范围宽等特点，因此对宽范围微弱电流连续检测的需求得以提出，该微电流检测电路是电离真空计的一个重要组成部分。该宽量程微弱电流检测电路除可用于电离真空计外，还可用于星载大气探测器和其它微弱电流检测领域。

现有技术的的真空计微弱电流检测多采用继电器加取样高阻的方式，微电流流过高阻，通过检测高阻上的电压值来改变取样高阻的大小，最终通过控制器检测判断获取相应的电压值，如需要扩展更宽的量程则需要进一步增加切换机构、取样高阻和升级控制器程序。该方式所需元器件数量较多，通过控制器计算后控制继电器切换量程，结构复杂，体积大，精度较差，可靠性低且响应时间慢。现有技术的微弱电流检测如图1所示，J1-J4为继电器，每组继电器配合取样电阻构成相应的量程，通过继电器动态调整量程。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种宽量程微电流对数检测电路，实现对宽量程微弱电流的对数检测。

为实现上述目的，本发明提供了一种宽量程微电流对数检测装置，该装置用于实现10^-12A～10^-6A微弱电流的对数快速检测，其特征在于，所述装置包含：

依次串联连接的滤波电路、对数变换电路、零点补偿电路和斜率补偿电路，其中，所述滤波电路的输入端为该宽量程微电流对数检测装置的输入端，用于输入待测的微电流；所述对数变换电路将微电流对数转化为电压信号；所述斜率补偿电路的输出端为该宽量程微电流对数检测装置的输出端，用于输出经过上述电路的微电流转换成的电压信号。

上述技术方案中，所述宽量程微电流对数检测装置还包含：与所述斜率补偿电路的输出端相连接的输出钳位电路，该电路包含电阻和钳位二极管，对输出电压进行限幅，保护后端接口电路。

上述技术方案中，所述滤波电路为：该电路包含电阻、电容等元器件，对微电流进行阻容滤波，并抑制自激振荡。

上述技术方案中，所述对数变换电路为：该电路包含结型场效应管和静电计运算放大器AD549，AD549为跟随器连接方式，3脚为输入端，6脚为输出端，以获得低输出阻抗和高输入阻抗。利用结型场效应管的栅漏级将微电流对数放大并转换成电压信号，所述场效应管为一对同型号结型场效应管，其中一只场效应管栅极与微电流相连，漏极与地相连，另一只场效应管漏极与微电流相连，栅极与地相连。

上述技术方案中，所述零点补偿电路为：该电路包含微电流对数变换电路中同型号的结型场效应管、电阻、运算放大器、电容等器件，对由温度变化带来的对数放大零点漂移进行补偿。

上述技术方案中，所述斜率补偿电路为：该电路包含热敏电阻、运算放大器、电阻等器件，对由温度变化带来的对数放大斜率漂移进行补偿。

上述技术方案中，所述输出钳位电路为：该电路包含电阻和钳位二极管，对输出电压进行限幅，保护后端接口电路。

总之，本发明提出了一种宽量程微电流对数检测电路，该检测电路包含：微电流对数变换电路，包含结型场效应管和静电计运算放大器AD549；零点补偿电路；斜率补偿电路；滤波电路；输出钳位电路，其中，滤波电路对微电流滤波后输出与微电流对数变换电路相连，微电流对数变换电路输出与零点补偿电路相连，零点补偿电路输出与斜率补偿电路相连，斜率补偿电路输出与输出钳位电路相连，输出钳位电路输出与输入微弱电流成比例的电压。该电路能检测10^-12A～10^-6A电流并对数转换成相应电压。与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

●本发明只需较少元器件即可实现10^-12A～10^-6A微弱电流的对数快速检测

●本发明可根据待测电流范围调整放大倍数，进而调整输出电压范围和分层值

●本发明无需量程机械切换装置，具有较高的可靠性

本发明所述的宽量程微电流对数检测电路对微弱电流检测具有重要的实际意义，采用结型场效应管、静电计放大器、零点补偿电路、斜率补偿电路和输出钳位电路等，无需量程机械切换装置，只需调整相应零点电位和放大倍数，即可实现10^-12A～10^-6A微弱电流的对数快速检测，同时可调整输出检测电压范围和分层值。

附图说明

图1为现有技术的的宽量程微电流对数检测电路工作原理框图；

图2为本发明的宽量程微电流对数检测电路工作原理框图；

图3为本发明的微电流对数变换电路实施例的示意图；

图4为本发明的滤波电路实施例的示意图；

图5为本发明的零点补偿电路实施例的示意图；

图6为本发明的斜率补偿电路实施例的示意图；

图7为本发明的输出钳位电路实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图2所示，本发明提出了一种宽量程微电流对数检测电路，该检测电路包含：微电流对数变换电路，包含结型场效应管和静电计运算放大器AD549；零点补偿电路；斜率补偿电路；滤波电路；输出钳位电路，其中，滤波电路对微电流滤波后输出与微电流对数变换电路相连，微电流对数变换电路输出与零点补偿电路相连，零点补偿电路输出与斜率补偿电路相连，斜率补偿电路输出与输出钳位电路相连，输出钳位电路输出与输入微弱电流成比例的电压。该电路能检测10^-12A～10^-6A电流并对数转换成相应电压，且上述各电路均能够采用现有的电路进行实现。以下内容记载了针对上述各电路部分的一些具体实施例，但是并不限于以下实现方法。

实施例

本发明涉及一种宽量程微电流对数检测电路，实现对宽量程微弱电流的对数检测，如图3所示，该图为本发明的微电流对数变换电路实施例的示意图，图4为本发明的滤波电路实施例的示意图，微电流I+从图3中的RC滤波电路流入，滤波后经过对数变换电路，利用结型场效应管栅漏级的极低反向饱和电流特性,得出如下转换公式：

V1=KlgI₊-KlgIs

$K=\frac{\mathrm{kT}}{\mathrm{ql}\mathrm{ge}}$

q－电子电量

k－玻尔兹曼常数

T－场效应管的温度

I_s－场效应管的反向饱和电流（安），为不变量

通过所述对数放大电路即可实现电压与电流的对数变换，该变换公式也是温度的函数，在对数变换电路后端需引入零点补偿电路和斜率补偿电路，以补偿由温度变化带来的零点和斜率漂移。

图5为零点补偿电路，所述对数变换电路输出输入零点补偿电路，在运算放大器U1A端采用与对数变换电路同型号的结型场效应管，通过R6和R7分压场效应管上的电压值，对零点温漂同步补偿并进行零点调节。

图6为斜率补偿电路，所述温度补偿电路输出输入斜率补偿电路，在运算放大器U1B的反馈端加入温漂补偿元件R11和RT，以补偿斜率温漂，R12对斜率进行调节。

图7为输出钳位电路，所述斜率补偿电路输出端输入钳位电路，根据前端电压范围采用相应的钳位电压即可将输出电压限制在相应范围，保护后端电路。

表1 为实施方案中一种情况下的实测数据。

表1 宽量程微弱电流对数放大实测数据

I+	1E-12A	1E-11A	1E-10A	1E-9A	1E-8A	1E-7A	1E-6A
								V4（V）	0.606	1.410	2.211	3.008	3.812	4.614	5.423

实测数据显示，所述宽量程对数微弱电流检测电路具有良好的微电流检测能力、对数转换能力，实际试验结果还表明了该电路具有良好的可靠性、稳定性、一致性和快速响应性。

最后补充说明如下：以上实施案例仅说明本发明的一种情况，相关技术人员可在理解本实施案例的基础上，对相应元器件进行相似替换或更改相应电阻值，可更改检测电压的分层值和范围，而经这种替换和更改后的技术方案依然处于本发明的范围。

Claims (6)

1.一种宽量程微电流对数检测装置，该装置用于实现10^-12A～10^-6A微弱电流的对数快速检测，其特征在于，所述装置包含：

依次串联连接的滤波电路、对数变换电路、零点补偿电路和斜率补偿电路，其中，所述滤波电路的输入端为该宽量程微电流对数检测装置的输入端，用于输入待测的微电流；所述对数变换电路将微电流对数转化为电压信号；所述斜率补偿电路的输出端为该宽量程微电流对数检测装置的输出端，用于输出经过上述电路的微电流转换成的电压信号。

2.根据权利要求1所述的宽量程微电流对数检测装置，其特征在于，所述宽量程微电流对数检测装置还包含：与所述斜率补偿电路的输出端相连接的输出钳位电路，该电路包含电阻和钳位二极管，对输出电压进行限幅，保护后端接口电路。

3.根据权利要求1所述的宽量程微电流对数检测装置，其特征在于，所述滤波电路包含：电阻和电容，对微电流进行阻容滤波，并抑制自激振荡。

4.根据权利要求1所述的宽量程微电流对数检测装置，其特征在于，所述对数变换电路包含：结型场效应管和静电计运算放大器AD549，AD549为跟随器连接方式，其3脚为输入端，6脚为输出端，以获得低输出阻抗和高输入阻抗；利用结型场效应管的栅漏级将微电流对数放大并转换成电压信号，所述场效应管为一对同型号结型场效应管，其中一只场效应管栅极与微电流相连，漏极与地相连，另一只场效应管漏极与微电流相连，栅极与地相连。

5.根据权利要求1所述的宽量程微电流对数检测装置，其特征在于，所述零点补偿电路包含：微电流对数变换电路中同型号的结型场效应管、电阻、运算放大器和电容，对由温度变化带来的对数放大零点漂移进行补偿。

6.根据权利要求1所述的宽量程微电流对数检测装置，其特征在于，所述斜率补偿电路包含：热敏电阻、运算放大器和电阻，对由温度变化带来的对数放大斜率漂移进行补偿。

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