CN113804959A

CN113804959A - 基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路及测量方法

Info

Publication number: CN113804959A
Application number: CN202111212760.5A
Authority: CN
Inventors: 曹晨; 孙伯乐; 刘瑜
Original assignee: Changzhou Tonghui Electronics Co ltd
Current assignee: Changzhou Tonghui Electronics Co ltd
Priority date: 2021-10-18
Filing date: 2021-10-18
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2041-10-18
Also published as: CN113804959B

Abstract

本发明涉及一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路及测量方法，包括级联的运算放大电路、过载保护电路、反馈电路；运算放大电路由输入级、中间级和输出级三个运算放大电路级联构成。本发明对一般的反馈回路进行适当调整，抵消反馈电阻的寄生电容带来的影响，大幅提升了微弱电流的测量速度；将低输入偏置电流运放、低输入失调电压运放和高速运放三种运放有机结合，充分利用三种运放各自的优点，规避其缺点，然后组成一个低输入偏置电流、低输入失调电压和高响应速度的跨阻放大电路，实现对飞安级电流的跨阻放大，并达到较快的响应速度。

Description

基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路及测量方法

技术领域：

本发明涉及电子测量技术领域，尤其涉及一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路。

背景技术：

随着科技发展，人们对微弱电流信号的精确测量的要求越来越高。在材料性能研究、电子元器件的生产、设备安规测试等领域均有测量皮安级乃至飞安级电流的需求。

微弱电流测量方式主要有两种方式：跨阻放大法和电流积分法。跨阻放大法的工作原理是：被测电流接运算放大器的反相输入端，反馈电阻R两端分别接在运放的反相端和输出端，运放的同相端接地，被测电流I流经反馈电阻，则根据运放虚短虚断的特性，输出端的电压U＝IR，使用模数转换芯片测出该电压U，易得被测电流。目前的使用跨阻放大法测量微弱电流的仪器很多，但使用跨阻放大法电路的仪器存在测量微弱电流时收敛时间长的问题，特别是测量皮安级电流及以下电流时，反馈电阻的阻值一般大于10G，此时由于寄生电容的存在，要使测量值收敛到稳定值0.1％以内的话，可能需要几百毫秒乃至更长的时间。此外，跨阻放大电路使用的运算放大器必须有非常低的输入偏置电流(Ibias<100pA)，而市场上这类运算放大器的摆率一般不高，这也影响了电流表的测量速度。

发明内容：

针对现有技术中存在上述的问题，本发明提出了一种基于跨阻放大的微弱电流检测电路及测量方法，在保证高精度的前提下，大幅提高了测量速度。

本发明提供一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，包括级联的运算放大电路、过载保护电路、反馈电路。

其中级联的运算放大电路由输入级、中间级和输出级三个运算放大电路级联构成，输入级运算放大电路的输入端作为整个级联运放的输入端，输出级运算放大电路的输出端作为整个级联运放的输出端。

过载保护电路连接运算放大电路的输入端，反馈电路连接过载保护电路和级联运算放大电路的输出端。

过载保护电路由一个电阻器和两个二极管组成。两个二极管选用低漏电流的型号，防止影响微弱电流的测量。

输入级运算放大器U1为低输入偏置电流的运算放大器，中间级运算放大器U2为低失调电压的运算放大器，输出级运算放大器U3为高速运算放大器。

一般的跨阻放大电路的反馈电阻RF直接连接输入和输出端，由于寄生电容CF的存在，当测量时，其输出端的电压

其时间常数为R_F*C_F。测量微弱电流时，R_F值在10G以上，则时间常数将很大。本发明的反馈电路由反馈电阻R_F和电阻R1、C1组成，其中R_F本身的寄生电容为C_F，其中R1*C1＝R_F*C_F。根据基尔霍夫电压定律，对于A点使用节点电流方程有：

变形可得

其中，V_A为A点电压，

为V_A的微分，又因为

易得

带入上式可得

其中，I_m为被测电流，t为时间，e为自然对数的底数，化简得

由上式可知，当R1*C1＝R_F*C_F时

此种条件下，输出电压为不随时间改变的稳恒值，不再受反馈电阻的寄生电容C_F的影响，解决了收敛时间长的问题。

关于跨阻放大电路的偏置电流Ibias：

输入级运算放大器U1反向端和输出端相连，构成一个电压跟随器，作为整个放大电路的输入端。由于输入级运算放大器U1的作为输入端，其反相端输入偏置电流就是整个运算放大电路的输入偏置电流，所以输入级运算放大器U1选用低输入偏置电流的运放时，整个放大电路的输入偏置电流就能很低。

关于跨阻放大电路的失调电压Vos：

假设输入级运算放大器U1、中间级运算放大器U2的输入失调电压分别为Vos1、Vos2；

当中间级运算放大器U2同相端接地时，中间级运算放大器U2反相端将有电压-Vos2，由于输入级运算放大器U1为电压跟随器，可知输入级运算放大器U1的反相端也将有电压-Vos2，而输入级运算放大器U1的输入失调电压为Vos1，根据电压叠加原理，输入级运算放大器U1同相端的电压为Vos1-Vos2，此即整个跨阻放大电路的失调电压Vos。由于整个跨阻放大电路的失调电压受前两级运发的影响，故只要将中间级运放的静态工作点调整到Vos2–Vos1，即可消除整个环路的输入失调电压。

关于跨阻放大电路的响应速度：

输出级运算放大器U3与若干电阻构成一同相放大电路。整个放大电路可以看作中间级运算放大器U2起跨阻放大作用，将微弱电流信号转换成小电压，而输出级运算放大器U3起电压放大作用，其将小电压再放大为较大电压，它的输出电压即为整个放大电路的输出电压，所以它的电压输出的响应速度也决定了整个放大电路的响应速度(U1、U2的输出电压很小，即便它们的响应较慢，对整个电路的响应速度影响也微乎其微)，故应选用高速运放就能实现整个放大回路的响应速度。

本发明还提供一种上述基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路的测量方法，测量时使同轴电缆的芯线和屏蔽层等电位，从而使泄漏电流为0，包括如下步骤：

(1)将测量电路的输入端a端连接到同轴电缆的芯线，然后连接到被测件，被测件的另一端接地；

(2)将测量电路的输出端b端分出两股c端和d端；

(3)将c端连接同轴电缆的屏蔽层；

(4)将d端连接外部电源U输出端正端；

(5)外部电源U输出端负端接地；

(6)测量时，由于测量电路的输入端a端和输出端b端两端电势差为0，因此根据欧姆定律，流经泄漏电阻RL1的漏电流I_RL1即为0；

(7)此时，虽然流经泄漏电阻RL2的漏电流I_RL2不为0，但此漏电流不流经测量电路，不会影响被测电流I_m；

(8)由于I_DUT＝I_m+I_RL1，现在I_RL1＝0，故有I_DUT＝I_m，即保证了测量电路所测的电流I_m即为被测件上流过的电流I_DUT。

本发明的有益效果是：

1、对一般的反馈回路进行适当调整，抵消反馈电阻的寄生电容带来的影响，大幅提升了微弱电流的测量速度；

2、将低输入偏置电流运放、低输入失调电压运放和高速运放三种运放有机结合，充分利用三种运放各自的优点，规避其缺点，然后组成一个低输入偏置电流、低输入失调电压和高响应速度的跨阻放大电路，实现对飞安级电流的跨阻放大，并达到较快的响应速度；

3、使用所述测量方法，可以消除测试线路本身可能带来的泄漏电流，减小了系统误差，保证了微弱电流测量结果的可靠性。

附图说明：

图1为本发明的基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路的电路原理图；

图2为本发明反馈回路和普通反馈回路分别测量20pA电流时，测量值收敛时间(单位：ms)的对比示意图；

图3为一般电流表接线方式和本发明使用的接线方式的对比图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示的一种基于跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路，包括级联的运算放大电路、过载保护电路1、反馈电路2；其中级联的运算放大电路由输入级运算放大器3(电路)、中间级运算放大器4(电路)和输出级运算放大器5(电路)三个运算放大电路级联构成。

过载保护电路由电阻R4与两个相同型号的低漏电流的二极管D1和D2构成。在电路正常工作时，D1和D2两端的电压接近0V，D1和D2处于未导通状态，而其漏电流很小，所以不会影响正常测量。当电流输入端对地电压过载时，不管电压正负，D1和D2有一个会导通，限制了U1同相输入端的电压。电阻R4则是用于限流以保护D1和D2。

U1为低输入偏置电流运算放大器，U2为低输入失调电压运算放大器，U3为高速运放。R2、R3、R9、R10、R11为电阻，C2为电容。U4为受控电压源。

U1反向端和输出端相连，构成一个电压跟随器，作为整个放大电路的输入端。由于U1作为输入端，其反相端输入偏置电流就是整个运算放大电路的输入偏置电流。所以U1选用低输入偏置电流的运放时，整个放大电路的输入偏置电流就能很低。

假设U1、U2的输入失调电压分别为Vos1、Vos2；

当U2同相端接地时，U2反相端将有电压-Vos2，由于U1为电压跟随器，可知U1的反相端也将有电压-Vos2，而U1的输入失调电压为Vos1，根据电压叠加原理，U1同相端的电压为Vos1-Vos2，此即整个跨阻放大电路的失调电压Vos。假设被测源内阻为Rx，输入失调电压Vos1–Vos2将在输出端产生一个

的电压。由此可知，失调电压产生的误差与被测源内阻有关，当被测源内阻较小时，将给被测结果叠加较大的误差电压。为尽量减小该误差，可在U2的同相输入端施加一个电压U＝Vos2–Vos1，它与跨阻放大电路的失调电压大小相等，方向相反。为测定跨阻放大电路的失调电压，先将被测信号断开，同时U2的同相输入端输入0电压，此时，Vout的值即为输入失调电压Vos1–Vos2。

U3与R9、R10、R11构成一同相放大电路。整个放大电路可以看作U2起跨阻放大作用，将微弱电流信号转换成小电压，而U3起电压放大作用，其将小电压再放大为较大电压，它的输出电压即为整个放大电路的输出电压，所以它的电压输出的响应速度也决定了整个放大电路的响应速度(U1、U2的输出电压很小，即便它们的响应较慢，对整个电路的响应速度影响也微乎其微)，故应选用高速运放就能实现整个放大回路的响应速度。

反馈电路由反馈电阻R_F和电阻R1、C1组成，其中R_F本身的寄生电容为C_F。

其中R1*C1＝R_F*C_F。对于A点使用节点电流方程有：

变形可得

其中，V_A为A点电压，dV_A/dt为V_A的微分，又因为

带入上式可得

由上式可知，当R1*C1＝R_F*C_F时

输出电压不再受反馈电阻的寄生电容CF的影响。实际操作中，由于CF值一般很小，而且容易受环境影响，难以直接测量，故很精确地确定R1和C1的值进行补偿是不现实的。所以一般使用试验法，方法如下：

(1)图1电路中不安装C1，R1处使用0欧姆电阻；

(2)此时进行微弱电流测量，记录从开始测量到测量值最终稳定所需的时间t1；

(3)由于稳定时间一般可以认为是4*R*C,故根据上述时间t1，计算R1值和C1值，其中R1<<R_F,以保证跨阻放大倍数基本不受影响，将图1中R1和C1更换为计算的值；(若t1约为800ms，R_F为10G，可令R1＝100kΩ，C1＝2μF)

(3)再次进行同样大小的电流测量，并记录稳定时间t2；

(4)若t2＞0.1*t1，将C1或R1更换为值稍大一点的，并再次测量稳定时间，若t2≤0.1*t1，可认为补偿成功了。

补偿效果参见图2。

本发明还提供一种基于上述跨阻放大的高精度高速微弱电流测量电路的测量方法，接线方式参见图3，其中a)为一般电流表的接线方式，b)为本发明使用的接线方式)，图3中，b)的a端即为图1电路中的I_m端，图3中，b)的b端即为图1电路中的GND端，包括如下步骤：

(1)将所述测量电路的输入端a端连接到同轴电缆的芯线，然后连接到被测件，被测件的另一端接地；

(2)将所述测量电路的输出端b端分出两股c端和d端；

(3)将c端连接同轴电缆的屏蔽层；

(4)将d端连接外部电源U输出端正端；

(5)外部电源U输出端负端接地；

(6)测量时，由于所述测量电路的输入端a端和输出端b端两端电势差为0，因此根据欧姆定律，流经泄漏电阻RL1的漏电流I_RL1即为0；

(8)由于I_DUT＝I_m+I_RL1，现在I_RL1＝0，故有I_DUT＝I_m，即保证了测量电路所测的电流即为被测件上流过的电流。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。