CN106443128B

CN106443128B - 一种飞安级微弱电流信号测量电路

Info

Publication number: CN106443128B
Application number: CN201610848546.1A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 王文廷; 张根苗; 王群; 王俊
Original assignee: CETC 41 Institute
Current assignee: CETC 41 Institute
Priority date: 2016-09-23
Filing date: 2016-09-23
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2036-09-23
Also published as: CN106443128A

Abstract

本发明公开了一种飞安级微弱电流信号测量电路，包括有结型场效应管Q1，取样电阻器R1，前级电压跟随器，同相跟随电路，反向跟随电路，反相加法电路和自偏置电源供电电路。本发明采用CMOS输入型运算放大器作为前置放大器，具有较高的输入阻抗和极低的输入偏压电流、偏移电压,有效地提高了电路对微弱电流信号的测量能力；本发明的自偏置电源供电电路，能生成一组与输入信号相关的电源电压，使电源跟踪输入信号的变化来改变偏置，使输入电压一直处于正负电源的中点电位，进而运算放大器工作于零输入偏置状态，从而获得更高的输入阻抗和更低的输入偏置电流，实现微弱电流信号的精确测量。

Description

一种飞安级微弱电流信号测量电路

技术领域

本发明涉及电流信号测量领域，具体是一种飞安级微弱电流信号测量电路。

背景技术

现代科学应用中，微弱电流信号的精确测量广泛应用于电场测试、弱光测试、射线探测、航空航天测控、新型材料研究以及半导体集成电路测试等领域。以半导体器件测试领域为例，如半导体、传感器和光电器件的测试应用中，因需要进行光电流、暗电流、泄漏电流、绝缘电阻以及相应参数的测量，从而必须对pA级乃至fA级的微弱电流信号进行精确的捕捉和测量，以进行产品特性分析。然而，当电流信号为pA级甚至更小时，对它的测量会变得非常困难。传统数字表的测量方式，因其输入偏置电流和泄漏电流都会引起测量误差，故无法测量pA级和fA级的微弱电流信号。因此，需要寻求新的技术方法，获得优异的输入特性，提高测量灵敏度，从而实现fA级微弱电流信号的精确测量。

采用电流取样的I/V转换电路和集成运算放大器构成放大器测量电路是现有微弱电流信号测量的常用方法，但是传统集成运算放大器由于其存在开环增益、输入偏置电流和泄露电流等诸多非理想因素，放大器电路对微弱电流的分辨能力必然会受到有限输入阻抗和输入偏置电流等参数的影响。一般双极性集成运算放大器的输入阻抗通常小于100MΩ（10⁸Ω），输入偏置电流通常大于10nA，所以只能测量100nA以上的电流信号。随着被测电流的减小，运算放大器输入阻抗和输入偏置电流对被测电流的影响就会增大，放大器的输入会淹没待测信号，从而无法实现对微弱电流的精确测量。

选用新型低噪声、低漂移、低输入偏置电流、低输入失调电压、高开环增益的CMOS或JFET输入型运算放大器，应用电压控制型CMOS或JFET差分对作为输入级的前置放大器，可以实现高达1TΩ（10¹²Ω）以上的输入阻抗和小于1pA级的输入偏置电流，因此可将测量微弱电流信号的分辨能力提高至10pA级，有效提高了测量灵敏度。但是，在测量更加微弱电流信号（如逼近测量极限的fA级微弱电流）的场合，依然无法实现信号的有效识别，仍需要采用新的方法，进一步提高输入阻抗，并降低输入偏置电流。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种飞安级微弱电流信号测量电路，采用高输入阻抗、低输入偏置电流的CMOS输入型运算放大器，设置运算放大器工作在零输入偏置状态，提高运算放大器输入阻抗、降低输入偏置电流和泄露电流，进而完成逼近测量极限的fA级微弱电流信号的精确测量。

本发明的技术方案为：

一种飞安级微弱电流信号测量电路，包括有结型场效应管Q1，取样电阻器R1，前级电压跟随器，输出缓冲器，同相跟随电路，反向跟随电路，反相加法电路和自偏置电源供电电路；

所述的前级电压跟随器包括有CMOS输入型运算放大器N1A，所述的结型场效应管Q1的漏极与公共端F-COM连接，结型场效应管Q1的栅极与控制信号输出端连接，结型场效应管Q1的源极通过取样电阻器R1与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚3正极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N1A的引脚4与负电源连接，CMOS输入型运算放大器N1A的引脚8与正电源连接；

所述的同相跟随电路包括有CMOS输入型运算放大器N1B,CMOS输入型运算放大器N1B的引脚7输出端与CMOS输入型运算放大器N1B的引脚6负极输入端连接；

所述的输出缓冲器包括有二极管V2A、二极管V2B、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，三极管Q4的基极通过二极管V2A与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端连接，CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端通过二极管V2B与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的基极通过电阻R3与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的集电极连接正电源+15VF,三极管Q3的基极通过电阻R2与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的集电极连接负电源-15VF，三极管Q4的发射极通过电阻R5后、三极管Q3的发射极通过电阻R4后均与CMOS输入型运算放大器N1B的引脚5正极输入端连接，且三极管Q4的发射极通过电阻R5后、三极管Q3的发射极通过电阻R4后均与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚2负极输入端连接；

所述的反向跟随电路包括有CMOS输入型运算放大器N2A和CMOS输入型运算放大器N2B，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚3正极输入端与公共端F-COM连接，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚1输出端与CMOS输入型运算放大器N2A的引脚2负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N2B的引脚5正极输入端与公共端F-COM连接，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚1输出端通过电阻R6与CMOS输入型运算放大器N2B的引脚6负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N2B的引脚7输出端通过电阻R7与CMOS输入型运算放大器N2B的引脚6负极输入端连接；

所述的反相加法电路包括有CMOS输入型运算放大器N3B，CMOS输入型运算放大器N3B的引脚5正极输入端与公共端F-COM连接，所述的CMOS输入型运算放大器N1B的引脚7输出端通过电阻R9与CMOS输入型运算放大器N3B的引脚6负极输入端连接，所述的CMOS输入型运算放大器N2B的引脚7输出端通过电阻R8与CMOS输入型运算放大器N3B的引脚6负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N3B的引脚7输出端通过并联的电阻R10、电容C1后与CMOS输入型运算放大器N3B的引脚6负极输入端连接；

所述的自偏置电源供电电路包括有CMOS输入型运算放大器N3A、三极管Q8、三极管Q7、三极管Q11、三极管Q12、二极管V7A、二极管V7B、二极管V8A、二极管V8B、稳压管V9、稳压管V10、电容C2和多个电阻，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚3正极输入端与所述的CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R11与CMOS输入型运算放大器N3A的引脚2负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R17、稳压管V10、电阻R20与三极管Q12的基极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R17、稳压管V10与三极管Q8的集电极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R16、稳压管V9、电阻R19与三极管Q11的基极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R16、稳压管V9与三极管Q7的集电极连接，三极管Q12的发射极、电容C2的一端均与正电源连接，三极管Q11的发射极、电容C2的另一端均与负电源连接，三极管Q12的集电极依次通过二极管V8B和二极管V8A后、三极管Q8的发射极依次通过电阻R18、二极管V8B和二极管V8A后均与三极管Q8的基极连接，三极管Q11的集电极依次通过二极管V7B和二极管V7A后、三极管Q7的发射极依次通过电阻R15、二极管V7B和二极管V7A后与三极管Q7的基极连接，三极管Q8的基极通过电阻R14与公共端F-COM连接，三极管Q7的基极通过电阻R13与公共端F-COM连接。

所述的CMOS输入型运算放大器N1A、CMOS输入型运算放大器N1B组成一个双运算器，所述的CMOS输入型运算放大器N2A、CMOS输入型运算放大器N2B组成一个双运算器，所述的CMOS输入型运算放大器N3A、CMOS输入型运算放大器N3B组成一个双运算器。

所述的CMOS输入型运算放大器N1A、CMOS输入型运算放大器N1B、CMOS输入型运算放大器N2A、CMOS输入型运算放大器N2B、CMOS输入型运算放大器N3A、CMOS输入型运算放大器N3B的输入级电路均包括有二极管V3、二极管V4、二极管V5、二极管V6、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、电阻R21和电阻R22，CMOS输入型运算放大器的正极输入端与场效应晶体管Q5的栅极连接，CMOS输入型运算放大器的负极输入端与场效应晶体管Q6的栅极连接，场效应晶体管Q5的栅极通过二极管V4后、场效应晶体管Q6的栅极通过二极管V5后、场效应晶体管Q5的漏极通过电阻R21后、场效应晶体管Q6的漏极通过电阻R22后均与正电源连接，场效应晶体管Q5的源极、场效应晶体管Q6的源极均与负电源连接, 负电源通过二极管V3后与场效应晶体管Q5的栅极、负电源通过二极管V6后与场效应晶体管Q6的栅极连接。

本发明的优点：

（1）、本发明采用CMOS输入型运算放大器作为前置放大器，具有较高的输入阻抗和极低的输入偏压电流、偏移电压,有效地提高了电路对微弱电流信号的测量能力；

（2）本发明的自偏置电源供电电路，能生成一组与输入信号相关的电源电压，使电源跟踪输入信号的变化来改变偏置，使输入电压一直处于正负电源的中点电位，进而运算放大器工作于零输入偏置状态，从而获得更高的输入阻抗和更低的输入偏置电流，实现微弱电流信号的精确测量；

（3）、本发明无需使用价格昂贵的新型进口器件，仅仅采用了简单的电源跟踪电路，使输入偏置电流接近于零，因此只需花费很少的额外成本，就可以提升现有系统的性能。

附图说明

图1是本发明不包含自偏置电源供电电路的电路图。

图2是本发明自偏置电源供电电路的电路图。

图3是本发明CMOS输入型运算放大器输入级电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1，一种飞安级微弱电流信号测量电路，包括有结型场效应管Q1，取样电阻器R1，前级电压跟随器，输出缓冲器、同相跟随电路，反向跟随电路，反相加法电路和自偏置电源供电电路；

见图1，前级电压跟随器包括有CMOS输入型运算放大器N1A，结型场效应管Q1的漏极与公共端F-COM连接，结型场效应管Q1的栅极与控制信号输出端连接，结型场效应管Q1的源极通过取样电阻器R1与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚3正极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N1A的引脚4与负电源-5VB连接，CMOS输入型运算放大器N1A的引脚8与正电源+5VB连接；

见图1，同相跟随电路包括有CMOS输入型运算放大器N1B，CMOS输入型运算放大器N1B的引脚7输出端与CMOS输入型运算放大器N1B的引脚6负极输入端连接；

见图1，输出缓冲器包括有二极管V2A、二极管V2B、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5，三极管Q4的基极通过二极管V2A与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端连接，CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端通过二极管V2B与三极管Q3的基极连接，三极管Q4的基极通过电阻R3与三极管Q4的集电极连接，三极管Q4的集电极连接正电源+15VF,三极管Q3的基极通过电阻R2与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的集电极连接负电源-15VF，三极管Q4的发射极通过电阻R5后、三极管Q3的发射极通过电阻R4后均与CMOS输入型运算放大器N1B的引脚5正极输入端连接，且三极管Q4的发射极通过电阻R5后、三极管Q3的发射极通过电阻R4后均与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚2负极输入端连接；CMOS输入型运算放大器N2A的引脚4与负电源-15VF连接，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚8与正电源+15VF连接；

见图1，反向跟随电路包括有CMOS输入型运算放大器N2A和CMOS输入型运算放大器N2B，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚3正极输入端与公共端F-COM连接，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚1输出端与CMOS输入型运算放大器N2A的引脚2负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N2B的引脚5正极输入端与公共端F-COM连接，CMOS输入型运算放大器N2A的引脚1输出端通过电阻R6与CMOS输入型运算放大器N2B的引脚6负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N2B的引脚7输出端通过电阻R7与CMOS输入型运算放大器N2B的引脚6负极输入端连接；

见图1，反相加法电路包括有CMOS输入型运算放大器N3B，CMOS输入型运算放大器N3B的引脚5正极输入端与公共端F-COM连接，CMOS输入型运算放大器N1B的引脚7输出端通过电阻R9与CMOS输入型运算放大器N3B的引脚6负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N2B的引脚7输出端通过电阻R8与CMOS输入型运算放大器N3B的引脚6负极输入端连接，CMOS输入型运算放大器N3B的引脚7输出端通过并联的电阻R10、电容C1后与CMOS输入型运算放大器N3B的引脚6负极输入端连接；

见图1和图2，自偏置电源供电电路包括有CMOS输入型运算放大器N3A、三极管Q8、三极管Q7、三极管Q11、三极管Q12、二极管V7A、二极管V7B、二极管V8A、二极管V8B、稳压管V9、稳压管V10、电容C2和多个电阻，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚3正极输入端与CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R11与CMOS输入型运算放大器N3A的引脚2负极输入端连接， CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R17、稳压管V10、电阻R20与三极管Q12的基极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R17、稳压管V10与三极管Q8的集电极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R16、稳压管V9、电阻R19与三极管Q11的基极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R16、稳压管V9与三极管Q7的集电极连接，三极管Q12的发射极、电容C2的一端均与正电源+5VB连接，三极管Q11的发射极、电容C2的另一端均与负电源-5VB连接，三极管Q12的集电极依次通过二极管V8B和二极管V8A后、三极管Q8的发射极依次通过电阻R18、二极管V8B和二极管V8A后均与三极管Q8的基极连接，三极管Q11的集电极依次通过二极管V7B和二极管V7A后、三极管Q7的发射极依次通过电阻R15、二极管V7B和二极管V7A后与三极管Q7的基极连接，三极管Q8的基极通过电阻R14与公共端F-COM连接，三极管Q7的基极通过电阻R13与公共端F-COM连接，三极管Q12的集电极连接正电源+15VF连接, 三极管Q11的集电极连接负电源-15VF连接。

其中，CMOS输入型运算放大器N1A、CMOS输入型运算放大器N1B组成一个双运算器，CMOS输入型运算放大器N2A、CMOS输入型运算放大器N2B组成一个双运算器，CMOS输入型运算放大器N3A、CMOS输入型运算放大器N3B组成一个双运算器。

见图3，其中，CMOS输入型运算放大器N1A、CMOS输入型运算放大器N1B、CMOS输入型运算放大器N2A、CMOS输入型运算放大器N2B、CMOS输入型运算放大器N3A、CMOS输入型运算放大器N3B的输入级电路均包括有二极管V3、二极管V4、二极管V5、二极管V6、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、电阻R21和电阻R22，CMOS输入型运算放大器的正极输入端Vin+与场效应晶体管Q5的栅极连接，CMOS输入型运算放大器的负极输入端Vin-与场效应晶体管Q6的栅极连接，场效应晶体管Q5的栅极通过二极管V4后、场效应晶体管Q6的栅极通过二极管V5后、场效应晶体管Q5的漏极通过电阻R21后、场效应晶体管Q6的漏极通过电阻R22后均与正电源+VS连接，场效应晶体管Q5的源极、场效应晶体管Q6的源极均与负电源-VS连接, 负电源通过二极管V3后与场效应晶体管Q5的栅极、负电源通过二极管V6后与场效应晶体管Q6的栅极连接。

控制信号CTRL为高电平时结型管Q1导通，微弱电流信号经取样电阻器R1后输出，通过测量取样电阻器R1两端压降，计算输出电流。前级电压跟随器获得和取样电阻器R1流出端电位完全相等的信号VB。当Q1导通时，取样电阻器R1流入端和公共端F-COM电位相等；通过N1B的同相跟随电路和N2A、N2B组成的反相跟随电路，获得对应取样电阻器R1的IM-SL和-IM-SH信号；最后，经N3B和R8、R9组成的反相加法电路，获得电流测量信号IMON，其大小为IM-SH和IM-SL之差，即取样电阻器R1两端的电位差，从而实现了良好的电流测量功能。为增大电路的输出动态范围，获得较高的转换速率和优异的增益带宽性能，前级电压跟随器输出端增设输出缓冲器，利用Q3、Q4构成互补放大电路，从而显著提高了电路的输出能力。为消除输出交越失真，补偿二极管V2A、V2B选用和Q3、Q4的BE结温度特性匹配的二极管阵列，可获得具有温度跟踪效应的偏置能力，从而进一步扩展电路的温度适应性。

由图1可知，输出电流I_O的测量误差主要由N1A前级电压跟随器的输入偏置电流I_B产生，为提高测量精度，需要降低输入偏置电流。如果设置N1A的供电电源+5VB和-5VB的参考地为VB，根据虚短理论，N1A的3脚工作点一直处于正负电源中间的地电位（0V），CMOS输入型运算放大器N1A处于零输入偏置状态，可获得更高的输入阻抗和接近于零的输入偏置电流，实现更微弱电流的精确测量。

见图2，CMOS输入型运算放大器N3A和R11、R12构成电压跟随器，使输出A点的电位实时跟踪输入信号VB，A点信号经V9、V10偏置和Q11、Q12功率放大后，可获得正负电源+5VB和-5VB。由图中可知，Q11和VB之间的电位差为5.6V，因此，Q11基极和发射极之间的电位差为0.6V（一个发射结压降），即VB和-5VB之间的电位差为5V；同理，+5VB和VB之间的电位差也为5V。采用V7A、V7B、V8A、V8B、Q7、Q8构成固定的电流源偏置，可使V9、V10具有较高的稳压精度。这样，采用自偏置技术，使正负电源实时跟踪放大器输入信号，可实现信号零偏置输入。

利用本发明设计的半导体分析仪中电流测量模块，使用CMOS输入型运算放大器设计前级电压跟随器，可将输入偏置电流降低到0.05fA以内，实现了1fA电流的5%精确测量指标。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种飞安级微弱电流信号测量电路，其特征在于：包括有结型场效应管Q1，取样电阻器R1，前级电压跟随器，输出缓冲器，同相跟随电路，反向跟随电路，反相加法电路和自偏置电源供电电路；

所述的同相跟随电路包括有CMOS输入型运算放大器N1B，CMOS输入型运算放大器N1B的引脚7输出端与CMOS输入型运算放大器N1B的引脚6负极输入端连接；

所述的自偏置电源供电电路包括有CMOS输入型运算放大器N3A、三极管Q8、三极管Q7、三极管Q11、三极管Q12、二极管V7A、二极管V7B、二极管V8A、二极管V8B、稳压管V9、稳压管V10、电容C2和多个电阻，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚3正极输入端与所述的CMOS输入型运算放大器N1A的引脚1输出端连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R11与CMOS输入型运算放大器N3A的引脚2负极输入端连接， CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R17、稳压管V10、电阻R20与三极管Q12的基极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R17、稳压管V10与三极管Q8的集电极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R16、稳压管V9、电阻R19与三极管Q11的基极连接，CMOS输入型运算放大器N3A的引脚1输出端依次通过电阻R12、电阻R16、稳压管V9与三极管Q7的集电极连接，三极管Q12的发射极、电容C2的一端均与正电源连接，三极管Q11的发射极、电容C2的另一端均与负电源连接，三极管Q12的集电极依次通过二极管V8B和二极管V8A后、三极管Q8的发射极依次通过电阻R18、二极管V8B和二极管V8A后均与三极管Q8的基极连接，三极管Q11的集电极依次通过二极管V7B和二极管V7A后、三极管Q7的发射极依次通过电阻R15、二极管V7B和二极管V7A后与三极管Q7的基极连接，三极管Q8的基极通过电阻R14与公共端F-COM连接，三极管Q7的基极通过电阻R13与公共端F-COM连接。

2.根据权利要求1所述的一种飞安级微弱电流信号测量电路，其特征在于：所述的CMOS输入型运算放大器N1A、CMOS输入型运算放大器N1B组成一个双运算器，所述的CMOS输入型运算放大器N2A、CMOS输入型运算放大器N2B组成一个双运算器，所述的CMOS输入型运算放大器N3A、CMOS输入型运算放大器N3B组成一个双运算器。

3.根据权利要求1所述的一种飞安级微弱电流信号测量电路，其特征在于：所述的CMOS输入型运算放大器N1A、CMOS输入型运算放大器N1B、CMOS输入型运算放大器N2A、CMOS输入型运算放大器N2B、CMOS输入型运算放大器N3A、CMOS输入型运算放大器N3B的输入级电路均包括有二极管V3、二极管V4、二极管V5、二极管V6、场效应晶体管Q5、场效应晶体管Q6、电阻R21和电阻R22，CMOS输入型运算放大器的正极输入端与场效应晶体管Q5的栅极连接，CMOS输入型运算放大器的负极输入端与场效应晶体管Q6的栅极连接，场效应晶体管Q5的栅极通过二极管V4后、场效应晶体管Q6的栅极通过二极管V5后、场效应晶体管Q5的漏极通过电阻R21后、场效应晶体管Q6的漏极通过电阻R22后均与正电源连接，场效应晶体管Q5的源极、场效应晶体管Q6的源极均与负电源连接, 负电源通过二极管V3后与场效应晶体管Q5的栅极、负电源通过二极管V6后与场效应晶体管Q6的栅极连接。