CN203849632U - 微电流测量放大电路 - Google Patents

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魏武
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Abstract

本实用新型公开一种微电流测量放大电路，其包括运算放大器A1，以及一端与所述运算放大器A1的反相输入端相连且另一端与所述运算放大器的输出端相连的反馈电阻器R1；还包括与所述运算放大器A1的同相输入端连接的电压补偿电路，与所述运算放大器A1的输出端连接的测量电路，以及与所述反馈电阻器R1并联的微电流开关电路。本实用新型提供的技术方案能够方便地对微电流测量电路的输入端压降进行补偿，甚至是输入端未悬空的情况下也可以进行，该补偿过程还可以自动完成无需人工干预，方便简单。

Description

微电流测量放大电路
技术领域
本实用新型涉及微电流测量技术领域，特别涉及一种微电流测量放大电路。
背景技术
量值低于1uA的微小电流一般称为“微电流”，在射线探测、材料分析和纳米技术等领域中，需要检测的微电流甚至达到pA量级。通常以具有超低输入偏置电流的运算放大器为核心，通过高值电阻器搭建I-V转换电路，将微电流转换成对应的电压信号进行测量，原理如图1所示。在图1中，运算放大器的同相输入端（图1中的“+”端）接地，反相输入端（图1中的“-”端）作为微电流的输入端，运算放大器的输出电压为VOUT＝-I·R。
理想运算放大器的同相输入端和反相输入端处于“虚短路”状态，其电势差为零。因此，理论上微电流测量放大电路的输入端压降为零。但实际运算放大器的参数不可能达到理想化，放大器的差分输入级难以做到完全对称；通常在输入为零时，存在一定的输出电压，该电压称为“输入失调电压”VIO。VIO可以等效成一个与运算放大器反相输入端串联的电压源。电流表的输入电阻越小对被测电路的影响越小。VIO使微电流测量放大电路的输入端存在一个电压降，当被测的微电流流经这样的仪表时，使得微电流测量放大电路表现出一定的输入电阻。
实用新型内容
基于此，为解决上述的微电流测量运算放大器输入端压降不为零的问题，本实用新型提出一种微电流测量放大电路。
其技术方案如下：
一种微电流测量放大电路，包括运算放大器A1，以及一端与所述运算放大器A1的反相输入端相连且另一端与所述运算放大器的输出端相连的反馈电阻器R1；还包括与所述运算放大器A1的同相输入端连接的电压补偿电路，与所述运算放大器A1的输出端连接的测量电路，以及与所述反馈电阻器R1并联的微电流开关电路。
微电流运算放大器的VIO一般为1mV量级，通过补偿电路可以修正VIO的影响，使微电流输入端压降尽可能地接近零电位。进行微电流输入端压降补偿前，微电流开关电路闭合，与微电流运算放大器A1并联的反馈电阻器R1相当于被短路，同时使电压补偿电路的输出电压为零，则通过测量电路可以直接测量出微电流运算放大器A1的输入端电压，然后使电压补偿电路输出一个量值相同、极性相反的补偿电压，从而使运算放大器A1的输入端压降为零，此补偿过程可在人工操作下完成。VIO会随着时间和温度等因素发生变化，但通过设计这种微电流开关电路，可在不需要人工干预的情况下实现自动补偿。
下面对其进一步技术方案进行说明：
优选的是，所述微电流开关电路包括具有高绝缘电阻特性的干簧管继电器S1，所述干簧管继电器S1与所述反馈电阻器R1并联。通过闭合干簧管继电器S1，可对反馈电阻器R1形成短路。
优选的是，所述微电流开关电路包括一端电阻R12，基极与所述电阻R12另一端连接的三级管Q1，所述三级管Q1发射极接地，正极与所述三级管Q1集电极连接的二极管D1，所述电源与所述二极管D1负极连接，所述干簧管继电器S1一端与所述电源连接且另一端与所述二极管D1正极连接。主控制器可使干簧管继电器S1与三极管Q1集电极和电源导通或断开，以实现干簧管继电器S1的闭合或断开，可对反馈电阻器R1形成短路，以方便利用电压补偿电路对电路电压进行补偿。
优选的是，还包括主控制器，所述主控制器分别与所述微电流开关电路、测量电路以及电压补偿电路连接。主控制器利用其现有的功能，通过与微电流开关电路、测量电路以及电压补偿电路的连接对它们进行控制，实现自动补偿。
优选的是，所述测量电路包括一端与所述运算放大器A1输出端连接的电阻R4，与所述电阻R4另一端连接的电阻R6，以及与所述电阻R6并联的运算放大器A2，所述运算放大器A2的输出端与所述电阻R6的一端连接，所述运算放大器A2的反相输入端与电阻R6的另一端连接；与所述运算放大器A2的同相输入端连接的电阻R5和电阻R7，所述电阻R5另一端接地，以及与所述电阻R7另一端连接的A/D转换器U1，所述A/D转换器U1与所述主控制器连接，所述运算放大器A2的输出端与A/D转换器U1连接；所述电阻R7的另一端还连接有基准电压芯片U2，所述基准电压芯片U2与电源连接。
优选的是，所述电压补偿电路包括一端与所述运算放大器A1的同相输入端连接的电阻R2，与所述电阻R2另一端连接的电阻R8，以及与所述电阻R8并联的运算放大器A3，所述运算放大器A3的输出端与所述电阻R8的一端连接，所述运算放大器A3的反相输入端与电阻R8的另一端连接；与所述运算放大器A3的同相输入端连接的电阻R10和电阻R11，所述电阻R11另一端接地，以及与所述电阻R10另一端连接的D/A转换器U3，所述D/A转换器U3与所述主控制器连接；与所述运算放大器A3的同相输入端连接的电阻R9，所述电阻R9另一端与所述D/A转换器U3连接。
本实用新型具有如下突出的优点：能够对微电流测量放大器输入端压降进行补偿，使微电流输入端压降尽可能地接近零电位，该补偿操作可以由微电流测量仪表自动完成，无需人工参与。
附图说明
图1是传统技术中所用的微电流测量放大电路示意图；
图2是本实用新型实施例中所述的微电流测量放大电路示意图；
图3是本实用新型实施例中所述的微电流测量放大电路详细示意图。
附图标记说明：
100-微电流开关电路，200-反馈电阻器，300-运算放大器A1，400-电压补偿电路，500-测量电路，600-主控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
如图2至图3所示，一种微电流测量放大电路，包括运算放大器A1（300），以及一端与运算放大器A1（300）的反相输入端相连且另一端与运算放大器A1（300）的输出端相连的反馈电阻器R1（200），此处该反馈电阻器R1的阻值为10GΩ，适合测量1pA～100pA的微电流；还包括与运算放大器A1（300）的同相输入端连接的电压补偿电路400，与运算放大器A1（300）的输出端连接的测量电路500，以及与反馈电阻器R1（200）并联的微电流开关电路100，此处选择运算放大器A1型号为AD549L；还包括主控制器600，该主控制器600分别与微电流开关电路100、测量电路500以及电压补偿电路400连接。本实用新型所述的微电流测量放大电路可在微电流测量仪表中应用，还可应用于其他仪器仪表中。
微电流运算放大器的VIO一般为1mV量级，通过电压补偿电路400可以修正VIO的影响，使微电流输入端压降尽可能地接近零电位。进行微电流输入端压降补偿前，微电流开关电路100闭合，与微电流运算放大器A1并联的反馈电阻器R1相当于被短路，同时使电压补偿电路400的输出电压为零，则通过测量电路500可以直接测量出微电流运算放大器A1的输入端电压，然后使电压补偿电路400输出一个量值相同、极性相反的补偿电压，从而使运算放大器A1的输入端压降为零。即使VIO会随着时间和温度等因素发生变化，但是主控制器600也可根据已有的功能对微电流开关电路100、测量电路500以及电压补偿电路400进行控制，实现自动补偿，不需要操作人员定期地进行手动补偿。
该微电流测量放大电路中的微电流开关电路100，包括一端与主控制器600连接的电阻R12，该电阻R12阻值为2KΩ；还包括基极与电阻R12另一端连接的三级管Q1，此处选择的三级管Q1型号为9014，该三级管Q1发射极接地；还包括与三级管Q1集电极连接的二极管D1，此处选择的二极管D1型号为1N4001，以及与该二极管D1负极连接的电源，该电源选择的电压为+5V；还包括一端与电源连接且另一端与所述二极管D1正极连接的具有高绝缘电阻特性的干簧管继电器S1，此处采用的干簧管继电器S1型号为COTO-2204-05。通过已有的技术方式，主控制器600可使三极管Q1集电极和电源导通或断开，以实现干簧管继电器S1闭合或断开，从而对反馈电阻器R1形成短路，以方便电压补偿电路对输入端压降进行补偿。该干簧管继电器S1包括真空玻璃管，设置在真空玻璃管中的一对分离的磁簧片，以及设置在该对磁簧片附近的线圈，该线圈一端与电源连接且另一端与二极管D1正极连接。干簧管继电器S1的线圈导通时，线圈带电产生磁场，在磁场力的作用下该对磁簧片相互吸引而连接在一起，从而实现干簧管继电器S1的导通；而电路断开时，线圈不产生磁场，该对磁簧片在自身弹力的作用下分开。
该微电流测量放大电路中的测量电路500，包括一端与运算放大器A1输出端连接的电阻R4，与电阻R4另一端连接的电阻R6，以及与电阻R6并联的运算放大器A2，该运算放大器A2的输出端与电阻R6的一端连接，该运算放大器A2的反相输入端与电阻R6的另一端连接；与该运算放大器A2的同相输入端连接的电阻R5和电阻R7，电阻R5另一端接地，以及与电阻R7另一端连接的A/D转换器U1，该A/D转换器U1与主控制器连接，该运算放大器A2的输出端与A/D转换器U1连接，且该A/D转换器U1与电源连接，此处选择电源的电压为+5V，另外该A/D转换器U1还连接有晶振Y1，此处选择晶振Y1的频率为2MHz；电阻R7的另一端还连接有基准电压芯片U2，该基准电压芯片U2与电源连接，此处选择电源的电压为+5V。这里，选择电阻R4、R5、R6、R7的阻值分别为1KΩ、1KΩ、510KΩ、510KΩ；而且运算放大器A2选择型号为AD8639，其中A/D转换器U1、基准电压芯片U2分别选择型号为AD7705、MAX6162A。上述各种电子元器件的具体数值和型号可根实际据需求情况（即电路的设计功能情况）进行选择，并不限制于此。此外，还可采用其他电子元器件组成相似的测量电路，以实现同样的测量功能。
该微电流测量放大电路中的电压补偿电路400，包括一端与运算放大器A1的同相输入端连接的电阻R2和电阻R3，电阻R3另一端接地；还包括与电阻R2另一端连接的电阻R8，以及与电阻R8并联的运算放大器A3，该运算放大器A3的输出端与电阻R8的一端连接，该运算放大器A3的反相输入端与电阻R8的另一端连接；还包括与该运算放大器A3的同相输入端连接的电阻R10和电阻R11，电阻R11另一端接地；以及与电阻R10另一端连接的D/A转换器U3，该D/A转换器U3与主控制器连接，并且在电阻R10与D/A转换器U3之间连接有电源，此处选择电源的电压为+5V；还包括一端与该运算放大器A3的同相输入端连接的电阻R9，电阻R9另一端与D/A转换器U3连接。这里，选择电阻R2、R3、R8、R9、R10、R11的阻值分别为100KΩ、1KΩ、10KΩ、125KΩ、250KΩ、9.61KΩ；而且运算放大器A3选择型号为AD8639，D/A转换器U3选择型号为DAC7571。上述各种电子元器件的具体数值和型号可根实际据需求情况（即电路的设计功能情况）进行选择，并不限制于此。此外，还可采用其他电子元器件组成相似的电压补偿电路，以实现同样的电压补偿功能。
在测量电路500中，运算放大器A2构成的信号放大电路将运算放大器A1的输出电压放大510倍，并偏置到基准电压芯片U2输出的2.048V上。16位A/D转换器U1对运算放大器A2构成的信号放大电路的输出电压进行测量，A/D转换器U1工作在差分测量模式，得到运算放大器A1的输出电压VA1（即VIO）。
在电压补偿电路400中，通过12位D/A转换器U3和运算放大器A3产生的电压范围是：-0.2V～0.2V，再通过R2和R3组成分压比为101的分压器，可以产生的补偿电压范围是：-1.98mV～1.98mV。电压补偿电路的输出电压应和运算放大器A1的VA1量值相同、极性相反，可得到运算放大器A3的输出电压VA3。
进行输入端压降补偿前，通过主控制器600使微电流开关电路100中的干簧管继电器S1闭合，使电压补偿电路的运算放大器A3输出电压为零。主控制器通过测量电路中的A/D转换器U1对运算放大器A1的输出电压进行测量，然后根据测量所得的输出电压利用电压补偿电路进行电压补偿。完成输入端压降补偿后，主控制器使干簧管继电器S1断开。由于干簧管继电器S1具有很好的绝缘性能，断开状态下对反馈电阻器R1的影响可以忽略。补偿过程中，由于干簧管继电器S1处于闭合状态，相当于反馈电阻器R1阻值为零，即使输入端有电流输入，微电流放大器A1的输出端电压也不会受到影响，因此并不要求输入端必须悬空。
本实用新型提出的微电流测量放大电路，通过设计采用具有干簧管继电器S1组成的微电流开关电路100，以及相应的测量电路500和电压补偿电路400，能够方便地对微电流测量电路的输入端压降进行补偿，甚至是输入端未悬空的情况下也可以进行，该补偿过程还可以自动完成无需人工干预，方便简单。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种微电流测量放大电路，其特征在于，包括运算放大器A1，以及一端与所述运算放大器A1的反相输入端相连且另一端与所述运算放大器的输出端相连的反馈电阻器R1；还包括与所述运算放大器A1的同相输入端连接的电压补偿电路，与所述运算放大器A1的输出端连接的测量电路，以及与所述反馈电阻器R1并联的微电流开关电路。 
2.根据权利要求1所述的微电流测量放大电路，其特征在于，所述微电流开关电路包括具有高绝缘电阻特性的干簧管继电器S1，所述干簧管继电器S1与所述反馈电阻器R1并联。 
3.根据权利要求2所述的微电流测量放大电路，其特征在于，还包括主控制器，所述主控制器分别与所述微电流开关电路、测量电路以及电压补偿电路连接。 
4.根据权利要求3所述的微电流测量放大电路，其特征在于，所述测量电路包括一端与所述运算放大器A1输出端连接的电阻R4，与所述电阻R4另一端连接的电阻R6，以及与所述电阻R6并联的运算放大器A2，所述运算放大器A2的输出端与所述电阻R6的一端连接，所述运算放大器A2的反相输入端与电阻R6的另一端连接；与所述运算放大器A2的同相输入端连接的电阻R5和电阻R7，所述电阻R5另一端接地，以及与所述电阻R7另一端连接的A/D转换器U1，所述A/D转换器U1与所述主控制器连接，所述运算放大器A2的输出端与A/D转换器U1连接；所述电阻R7的另一端还连接有基准电压芯片U2，所述基准电压芯片U2与电源连接。 
5.根据权利要求3所述的微电流测量放大电路，其特征在于，所述电压补偿电路包括一端与所述运算放大器A1的同相输入端连接的电阻R2，与所述电阻R2另一端连接的电阻R8，以及与所述电阻R8并联的运算放大器A3，所述运算放大器A3的输出端与所述电阻R8的一端连接，所述运算放大器A3的反相输入端与电阻R8的另一端连接；与所述运算放大器A3的同相输入端连接的电阻R10和电阻R11，所述电阻R11另一端接地，以及与所述电阻R10另一端连接的D/A转换器U3，所述D/A转换器U3与所述主控制器连接；与所述运算放大器A3的同相输入端连 接的电阻R9，所述电阻R9另一端与所述D/A转换器U3连接。 
6.根据权利要求4所述的微电流测量放大电路，其特征在于，所述微电流开关电路包括一端与所述主控制器连接的电阻R12，基极与所述电阻R12另一端连接的三级管Q1，所述三级管Q1发射极接地，正极与所述三级管Q1集电极连接的二极管D1，所述电源与所述二极管D1负极连接，所述干簧管继电器S1一端与所述电源连接且另一端与所述二极管D1正极连接的。 
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