CN114489206B - 一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，包括偏置调节单元、电流放大单元和主控单元；所述偏置调节单元采用高精度DAC、加减运算电路和串联电阻选择电路结构，使得偏置电流和偏置电压独立可调；所述电流放大单元采用跨阻电流放大电路和差分比例运算电路，在放大输入电流Iin的同时，在输出端放大偏置电流Ioff，且最终的输出电压不受偏置电压Vbias的影响；由此可见，本发明可为跨阻型电流放大器实现偏置电流和偏置电压的独立可调，两者的调节互不影响，偏置电流调节范围覆盖pA到mA级别，偏置电压调节范围可覆盖正负数伏，调节分辨率高，可应用在需要调节偏置电流和偏置电流的微弱电流信号放大的场合。

Description

一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统
技术领域
本发明属于精密分析测量领域，尤其涉及一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统。
背景技术
在通用前置电流放大器仪器中，由于运算放大器存在偏置电流以及受到后级放大器的影响，在无输入电流时，在输出端输出电压不为0V，对电流放大功能带来较大影响。
通用前置电流放大器仪器的灵敏度通常可设置为pA、nA、uA、mA等不同档位，在不同灵敏度时需要调节的偏置电流范围不同，因此需要一个调节范围覆盖pA～mA级别的可调偏置电流。
若输入电流存在不希望出现的直流成分也可通过调节偏置电流对其直流成分进行消除。另外，在使用光电探测器或类似器件时，需要对其加入偏置电压使其正常工作从而产生输入电流进行放大，如果偏置电压可调，则可方便地为该类器件找到合适的工作点，然而，若光电探测器或类似器件的输出电压中的偏置电压分量不为0V，对电流放大功能带来较大影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，通过引入一个可调节的偏置电流抵消输出的直流电压中的偏置电压分量，实现电流放大单元的偏置电流和偏置电压的相互独立调节。
一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，包括偏置调节单元、电流放大单元以及主控单元，其中，所述偏置调节单元包括第一DAC电路、第二DAC电路、加减运算电路以及串联电阻选择电路，电流放大单元包括跨阻放大电路与差分比例运算电路；
所述主控单元用于设定期望偏置电压和期望偏置电流；所述第二DAC电路用于根据期望偏置电压调节自身参考电压的大小，使得自身的输出电压为期望偏置电压Vbias；
所述加减运算电路用于接收偏置电压Vbias和第一DAC电路的输出电压Voff，并根据期望偏置电流设置自身的比例系数n，使得自身的输出电压Vout1＝Vbias-n×Voff；
所述串联电阻选择电路用于接入输出电压Vout1，并根据期望偏置电流设定自身的电阻Rs，使得自身的输出电流为偏置电流Ioff＝-n×Voff/Rs；
所述跨阻放大电路用于接入偏置电流Ioff、偏置电压Vbias以及待放大的输入电流信号Iin，得到输出电压Vout2＝Vbias-(Iin+Ioff)×Rf；
所述差分比例运算电路用于接入输出电压Vout2和偏置电压Vbias，并进行差分比例运算，得到与偏置电压Vbias不相关的输出电压Vout＝(Iin+Ioff)×Rf，实现电流放大单元的偏置电流和偏置电压的相互独立。
进一步地，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器OPA2和跨阻Rf，差分比例运算电路包括运算放大器OPA3和四个相等的电阻R13～R16；
所述跨阻Rf连接于跨阻放大器OPA2的反相输入端和输出端之间，且反相输入端还接入偏置电流Ioff和待放大的输入电流信号Iin，同相输入端还接入偏置电压Vbias，输出端得到输出电压Vout2；
所述电阻R15连接于跨阻放大器OPA3的反相输入端和输出端之间，且反相输入端通过电阻R13接入输出电压Vout2，同相输入端通过电阻R14接入偏置电压Vbias的同时，还通过电阻R16接地，输出端得到输出电压Vout。
进一步地，所述加减运算电路包括运算放大器OPA1、模拟开关SW1以及电阻R1～R8，其中，R1＝R8，R2＝R6，R3＝R7，R4＝R5，串联电阻选择电路包括继电器开关组以及四个相互并联的电阻R9～R12；
所述第一DAC电路的输出端分别通过相互串联的电阻R1和R7、相互串联的电阻R2和R5连接运算放大器OPA1的输出端，同时，运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R1和R7的串接点或者电阻R2和R5的串接点进行连接；运算放大器OPA1的同相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R3或电阻R4连接第二DAC电路的输出端，其中，同相输入端通过电阻R3连接第二DAC电路的输出端时，还通过电阻R8接地，同相输入端通过电阻R4连接第二DAC电路的输出端时，还通过电阻R6接地；
所述运算放大器OPA1的输出端通过继电器开关组选通电阻R9～R12的其中一个，被选通的电阻的一端用于接入输出电压Vout1，另一端用于输出偏置电流Ioff。
进一步地，当运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R1和R7的串接点进行连接、同相输入端通过电阻R3连接第二DAC电路的输出端时，比例系数n＝R3/R8；
当运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R2和R5的串接点进行连接、同相输入端通过电阻R4连接第二DAC电路的输出端时，比例系数n＝R4/R6。
进一步地，所述电阻R9～R12的阻值各不相同，且阻值均为100Ω到1GΩ。
进一步地，所述第一DAC电路包括第一DAC芯片和运算放大器OPA4，第二DAC电路包括第二DAC芯片和运算放大器OPA5；
两个DAC芯片的参考电压输入端REF均接入参考电压Vref，电压输入端VDD均接入电压VCC；运算放大器OPA4的同相输入端连接第一DAC芯片的电压输出端，反相输入端连接第一DAC芯片的INV端，输出端连接第一DAC芯片的RFB端的同时还得到输出电压Voff，且第一DAC芯片的INV端和RFB端通过一个电容串联；运算放大器OPA5的同相输入端连接第二DAC芯片的电压输出端，反相输入端连接第二DAC芯片的INV端，输出端连接第二DAC芯片的RFB端的同时还得到偏置电压Vbias，且第二DAC芯片的INV端和RFB端通过一个电容串联。
进一步地，参考电压Vref取+5V，则Vbias和Voff的可调范围为-5V～+5V。
进一步地，两个DAC芯片的型号均为LT2642。
有益效果：
本发明提供一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，包括偏置调节单元、电流放大单元和主控单元；所述偏置调节单元采用高精度DAC、加减运算电路和串联电阻选择电路结构，使得偏置电流和偏置电压独立可调；所述电流放大单元采用跨阻电流放大电路和差分比例运算电路，在放大输入电流Iin的同时，在输出端放大偏置电流Ioff，且最终的输出电压不受偏置电压Vbias的影响；由此可见，本发明可为跨阻型电流放大器实现偏置电流和偏置电压的独立可调，两者的调节互不影响，偏置电流调节范围覆盖pA到mA级别，偏置电压调节范围可覆盖正负数伏，调节分辨率高，可应用在需要调节偏置电流和偏置电流的微弱电流信号放大的场合。
附图说明
图1为本发明的电路结构框图；
图2为本发明的电路原理图；
图3为本发明的典型参数设置图；
图4为本发明的典型程序流程图；
图5为本发明的给出具体电路参数的典型应用电路原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，包括偏置调节单元、电流放大单元以及主控单元，其中，所述偏置调节单元包括第一DAC电路、第二DAC电路、加减运算电路以及串联电阻选择电路，电流放大单元包括跨阻放大电路与差分比例运算电路。
所述主控单元用于设定期望偏置电压和期望偏置电流；所述第二DAC电路用于根据期望偏置电压调节自身参考电压的大小，使得自身的输出电压为期望偏置电压Vbias。
所述加减运算电路用于接收偏置电压Vbias和第一DAC电路的输出电压Voff，并根据期望偏置电流设置自身的比例系数n，使得自身的输出电压Vout1＝Vbias-n×Voff。
所述串联电阻选择电路用于接入输出电压Vout1，并根据期望偏置电流设定自身的电阻Rs，使得自身的输出电流为偏置电流Ioff＝-n×Voff/Rs。
所述跨阻放大电路用于接入偏置电流Ioff、偏置电压Vbias以及待放大的输入电流信号Iin，得到输出电压Vout2＝Vbias-(Iin+Ioff)×Rf。
所述差分比例运算电路用于接入输出电压Vout2和偏置电压Vbias，并进行差分比例运算，得到与偏置电压Vbias不相关的输出电压Vout＝(Iin+Ioff)×Rf，实现电流放大单元的偏置电流和偏置电压的相互独立。
进一步地，图2给出了本发明的电路原理图，图3给出了本发明的典型参数设置图。所述第一DAC电路包括第一DAC芯片和运算放大器OPA4，第二DAC电路包括第二DAC芯片和运算放大器OPA5；两个DAC芯片的参考电压输入端REF均接入参考电压Vref，电压输入端VDD均接入电压VCC；运算放大器OPA4的同相输入端连接第一DAC芯片的电压输出端，反相输入端连接第一DAC芯片的INV端，输出端连接第一DAC芯片的RFB端的同时还得到输出电压Voff，且第一DAC芯片的INV端和RFB端通过一个电容C1串联；运算放大器OPA5的同相输入端连接第二DAC芯片的电压输出端，反相输入端连接第二DAC芯片的INV端，输出端连接第二DAC芯片的RFB端的同时还得到偏置电压Vbias，且第二DAC芯片的INV端和RFB端通过一个电容C8串联。
需要说明的是，偏置调节单元的第一DAC芯片和第二DAC芯片为带片选具备SPI接口的DAC芯片，且通过SPI接口可分别控制Voff和Vbias的开关状态、大小和符号。两个DAC为双极性DAC，且输出电压范围≥±5V，位数≥12bits，分辨率≤5mV，分别输出电压Voff和Vbais，并将Voff和Vbais分别连接至加减运算电路的输入，并将Vbais连接到电流放大单元的输入；例如，附图5中，参考电压Vref取+5V，那么Vbias和Voff的可调范围即为-5V～+5V；DAC1和DAC2选择为LT2642，位数为14bits，分辨率为(1/8192)V。
偏置调节单元的加减运算电路主要由运算放大器OPA1、模拟开关SW1及电阻R1～R8组成，其中R1＝R8,R2＝R6,R3＝R7,R4＝R5。加减运算电路的输出连接至串联电路选择电路，输出Vout1大小为：
Vout1＝Vbias-n×Voff (1)
所述第一DAC电路的输出端分别通过相互串联的电阻R1和R7、相互串联的电阻R2和R5连接运算放大器OPA1的输出端，同时，运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R1和R7的串接点或者电阻R2和R5的串接点进行连接；运算放大器OPA1的同相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R3或电阻R4连接第二DAC电路的输出端，其中，同相输入端通过电阻R3连接第二DAC电路的输出端时，还通过电阻R8接地，同相输入端通过电阻R4连接第二DAC电路的输出端时，还通过电阻R6接地。
也就是说，加减运算电路采用精密运算放大器和电阻搭建，并采用模拟开关选择电阻，实现加减运算电路的比例可调，其输出连接至串联电阻选择电路的输入；由此可见，当模拟开关SW1的X和Y输出分别等于X0和Y0时，该加减运算电路的输出为
Vout1＝Vbias-(R3/R8)×Voff (2)
当模拟开关SW1的X和Y输出分别等于X1和Y1时，该加减运算电路的输出为
Vout1＝Vbias-(R4/R6)×Voff (3)
因此，通过控制模拟开关SW1的状态，就可选择加减运算电路的比例n。如附图3，选取了比例n为0.1和0.01。
偏置调节单元的串联电路选择电路由四个相互并联的电阻R9～R12和继电器开关组组成，其中，继电器开关组由继电器S1和继电器S2组成，R9～R12的阻值由100Ω到1GΩ不等。通过继电器S1和继电器S2的选择，可从R9～R12选择任一电阻作为串联电路Rs，该串联电阻接入电流输入端。如附图3，选取了R9～R12的阻值分别为499Ω、49.9KΩ、4.99MΩ和500MΩ。如附图5，继电器选择了双线圈的G6AK-234P-ST-US-DC5型继电器。
所述跨阻放大电路包括跨阻放大器OPA2和跨阻Rf，跨阻Rf的大小由跨阻放大器的灵敏度决定，电流放大单元的跨阻放大电流主要由跨阻放大器OPA2的反相输入端通过电流输入端接入输入电流信号Iin和流经串联电阻Rs的偏置电流Ioff，同相输入端接入偏置电压Vbias。在反相输入端和输出端之间接入跨阻Rf。根据运算放大器的“虚短”和“虚断”原则，电流输入端的电压值Vin为
Vin＝Vbias (4)
经过串联电阻Rs产生的偏置电流
Ioff＝-n×Voff/Rs (5)
OPA2的输出电压Vout2为
Vout2＝Vbias-(Iin+Ioff)×Rf (6)
为了实现偏置电流从±1pA～±1mA可调，根据式(5)，附图3给出了第一DAC电路的输出电压Voff、加减电路比例n和串联电阻Rs与偏置电流的关系。
电流放大单元的差分比例运算电路包括运算放大器OPA3和四个相等的电阻R13～R16，差分比例运算电路的输入为跨阻放大器的输出及偏置电压Vbais，输出接入电压输出端；跨阻放大电路的输出通过电阻R13连接OPA3的反相输入端，偏置电压Vbias通过电阻R14连接OPA3的同相输入端。其中R13＝R14＝R15＝R16，通过计算，输出电压Vout为
Vout＝(Iin+Ioff)×Rf (7)
附图2中的运算放大器OPA1～OPA5的电源都采用双电源供电，且正电源和负电源都利用电容进行电源滤波，减少电源波动带来的影响。
主控单元中的MCU主控电路由按键输入电路、主控芯片U1及其最小电路(包含电源、晶振、复位等电路)、按键输入电路以及对DAC、继电器、模拟开关驱动进行控制的状态控制电路组成。其中，按键输入电路由按键K1～K4及其上拉电阻R19～R22组成，DAC的控制由SPI接口完成，继电器的控制采用三极管Q1～Q4作为其开关，模拟开关采用IO口高低电平控制。如附图5所示，U1选择STM32F103RCT6作为主控芯片，主控芯片的主控程序流程图如附图4所示。在程序初始化后，所述主控单元根据按键输入实现对偏置调节单元的设置，完成期望偏置电压和期望偏置电流的设定；例如，扫描按键，若有按键按下，则通过通用IO口或SPI口进行DAC1、DAC2的输出以及继电器、模拟开关状态的控制。
附图5为一个典型应用的实例，其中具体的DAC、运放、电阻、电容等型号参数均给出，该电流放大电路可实现偏置电流从±1pA～±1mA，偏置电压从-5V～+5V独立可调。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，包括偏置调节单元、电流放大单元以及主控单元，其中，所述偏置调节单元包括第一DAC电路、第二DAC电路、加减运算电路以及串联电阻选择电路，电流放大单元包括跨阻放大电路与差分比例运算电路；
所述主控单元用于设定期望偏置电压和期望偏置电流；所述第二DAC电路用于根据期望偏置电压调节自身参考电压的大小，使得自身的输出电压为期望偏置电压Vbias；
所述加减运算电路用于接收偏置电压Vbias和第一DAC电路的输出电压Voff，并根据期望偏置电流设置自身的比例系数n，使得自身的输出电压Vout1＝Vbias-n×Voff；
所述串联电阻选择电路用于接入输出电压Vout1，并根据期望偏置电流设定自身的电阻Rs，使得自身的输出电流为偏置电流Ioff＝-n×Voff/Rs；
所述跨阻放大电路用于接入偏置电流Ioff、偏置电压Vbias以及待放大的输入电流信号Iin，得到输出电压Vout2＝Vbias-(Iin+Ioff)×Rf；
所述差分比例运算电路用于接入输出电压Vout2和偏置电压Vbias，并进行差分比例运算，得到与偏置电压Vbias不相关的输出电压Vout＝(Iin+Ioff)×Rf，实现电流放大单元的偏置电流和偏置电压的相互独立。
2.如权利要求1所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，所述跨阻放大电路包括跨阻放大器OPA2和跨阻Rf，差分比例运算电路包括运算放大器OPA3和四个相等的电阻R13～R16；
所述跨阻Rf连接于跨阻放大器OPA2的反相输入端和输出端之间，且反相输入端还接入偏置电流Ioff和待放大的输入电流信号Iin，同相输入端还接入偏置电压Vbias，输出端得到输出电压Vout2；
所述电阻R15连接于跨阻放大器OPA3的反相输入端和输出端之间，且反相输入端通过电阻R13接入输出电压Vout2，同相输入端通过电阻R14接入偏置电压Vbias的同时，还通过电阻R16接地，输出端得到输出电压Vout。
3.如权利要求1所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，所述加减运算电路包括运算放大器OPA1、模拟开关SW1以及电阻R1～R8，其中，R1＝R8，R2＝R6，R3＝R7，R4＝R5，串联电阻选择电路包括继电器开关组以及四个相互并联的电阻R9～R12；
所述第一DAC电路的输出端分别通过相互串联的电阻R1和R7、相互串联的电阻R2和R5连接运算放大器OPA1的输出端，同时，运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R1和R7的串接点或者电阻R2和R5的串接点进行连接；运算放大器OPA1的同相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R3或电阻R4连接第二DAC电路的输出端，其中，同相输入端通过电阻R3连接第二DAC电路的输出端时，还通过电阻R8接地，同相输入端通过电阻R4连接第二DAC电路的输出端时，还通过电阻R6接地；
所述运算放大器OPA1的输出端通过继电器开关组选通电阻R9～R12的其中一个，被选通的电阻的一端用于接入输出电压Vout1，另一端用于输出偏置电流Ioff。
4.如权利要求3所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，当运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R1和R7的串接点进行连接、同相输入端通过电阻R3连接第二DAC电路的输出端时，比例系数n＝R3/R8；
当运算放大器OPA1的反相输入端通过模拟开关SW1来选择电阻R2和R5的串接点进行连接、同相输入端通过电阻R4连接第二DAC电路的输出端时，比例系数n＝R4/R6。
5.如权利要求3所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，所述电阻R9～R12的阻值各不相同，且阻值均为100Ω到1GΩ。
6.如权利要求1所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，所述第一DAC电路包括第一DAC芯片和运算放大器OPA4，第二DAC电路包括第二DAC芯片和运算放大器OPA5；
两个DAC芯片的参考电压输入端REF均接入参考电压Vref，电压输入端VDD均接入电压VCC；运算放大器OPA4的同相输入端连接第一DAC芯片的电压输出端，反相输入端连接第一DAC芯片的INV端，输出端连接第一DAC芯片的RFB端的同时还得到输出电压Voff，且第一DAC芯片的INV端和RFB端通过一个电容串联；运算放大器OPA5的同相输入端连接第二DAC芯片的电压输出端，反相输入端连接第二DAC芯片的INV端，输出端连接第二DAC芯片的RFB端的同时还得到偏置电压Vbias，且第二DAC芯片的INV端和RFB端通过一个电容串联。
7.如权利要求6所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，参考电压Vref取+5V，则Vbias和Voff的可调范围为-5V～+5V。
8.如权利要求6所述的一种基于电流放大器的偏置电流和偏置电压独立调节系统，其特征在于，两个DAC芯片的型号均为LT2642。
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