微電流放大技術(shù)研究

尹小龍 杜繼友

【摘 要】為了在現(xiàn)有器件、材料以及工藝基礎(chǔ)上解決微電流放大的關(guān)鍵技術(shù)，研制出高精度快響應(yīng)的微電流放大器。研究?jī)?nèi)容包括：高性能電流-電壓轉(zhuǎn)換電路研究、高性能電壓放大級(jí)的研究、信號(hào)預(yù)處理電路（濾波電路）、接地和電磁屏蔽技術(shù)的研究。樣機(jī)的電流測(cè)量范圍為103V/A～1011V/A，測(cè)量精度、響應(yīng)時(shí)間及噪聲指標(biāo)都有顯著提升。研究結(jié)果基本解決了制約微電流放大的關(guān)鍵技術(shù)，微電流放大器的主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或者接近了預(yù)期水平。

【關(guān)鍵詞】微電流 放大 高精度 快響應(yīng)

微電流放大器在核反應(yīng)堆工程和實(shí)驗(yàn)中具有廣泛的應(yīng)用，例如，反應(yīng)堆核功率測(cè)量、中子注量率倍增周期測(cè)量、模擬及數(shù)字化反應(yīng)性儀的中子信號(hào)測(cè)量等。同時(shí)高精度快響應(yīng)的微電流放大器在其它研究及工業(yè)領(lǐng)域，例如電化學(xué)電流測(cè)量、生物電流測(cè)量、壓電材料測(cè)試、介電吸收及極化研究、掃描隧道顯微鏡（STM）等也有很廣泛的應(yīng)用。

微電流放大器在工業(yè)和科研領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，并對(duì)其技術(shù)參數(shù)提出了更高的要求。為了改善微電流放大器的性能，國(guó)外長(zhǎng)期以來進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）著力開發(fā)性能更優(yōu)良的電流放大器件同時(shí)不斷改進(jìn)與電流放大器件配合使用的超低噪聲、超高穩(wěn)定性的電壓放大器件和超低泄漏電流模擬開關(guān)，以及反饋電阻的有效值和穩(wěn)定性參數(shù)也逐步得到改進(jìn)；

（2）著力開發(fā)性能更優(yōu)良的專用絕緣材料；

（3）針對(duì)現(xiàn)有器件的特點(diǎn)，研究能夠針對(duì)其性能揚(yáng)長(zhǎng)避短的電路，既優(yōu)化電流放大器件、電壓放大器件和高阻之間的組合，已達(dá)到優(yōu)化整體性能的目的；

（4）不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)和制作工藝，尋求更有效的電磁屏蔽、更合理的接地技術(shù)和更適宜的PCB結(jié)構(gòu)等。

本文針對(duì)在目前現(xiàn)有器件、材料和工藝條件下，對(duì)制約微電流放大器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵問題進(jìn)行了解決或合理回避，提高了微電流放大器的性能指標(biāo)，同時(shí)對(duì)微電流放大器樣機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)指標(biāo)以及應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 微電流放大測(cè)量原理

微電流測(cè)量原理采用電壓電流轉(zhuǎn)換原理，最基本的電流電壓轉(zhuǎn)換原理如圖1所示。

假定運(yùn)算放大器是理想運(yùn)放，利用“虛短虛斷”的概念，可以得出，

輸出電壓Vo與測(cè)量電流I成線性比例關(guān)系，比例系數(shù)為Rf，因此只要適當(dāng)選擇Rf就可以得到所需的放大倍數(shù)。但是在實(shí)際應(yīng)用過程中，并沒有完全理想的運(yùn)算放大器，由于集成電路制造技術(shù)以及工藝的影響，必然存在諸如失調(diào)電壓，偏置電流、漏電流以及開環(huán)增益的影響，因此高性能反饋式電流-電壓轉(zhuǎn)換電路是微電流放大技術(shù)研究的關(guān)鍵問題之一。同時(shí)高質(zhì)量電壓放大單元、信號(hào)預(yù)處理單元以及良好的接地和屏蔽也是微電流放大技術(shù)研究中需要解決的關(guān)鍵問題。

微電流放大器樣機(jī)作為一個(gè)能夠獨(dú)立工作的電子儀器，其中需要實(shí)現(xiàn)的功能主要由電流-電壓轉(zhuǎn)換電路、電壓放大電路、控制單元（采樣電路、換檔電路、顯示電路）、濾波電路、低壓電源組成，其原理框圖如圖2所示。

2 高性能反饋式電流-電壓轉(zhuǎn)換電路

反饋式電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，或者稱為互阻抗放大器，它通過跨導(dǎo)-VO/-Ii表征其增益，具有極低的輸入阻抗（理想狀況下為0），增益誤差小等特點(diǎn)。反饋式電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的優(yōu)點(diǎn)還有：無共模誤差、輸入阻抗低（僅取決于限流電阻）、靈敏度受溫度影響很小。

在微電流放大技術(shù)的研究中，反饋電路確定后，電流-電壓轉(zhuǎn)換/放大器件的選擇就成為影響到最終性能指標(biāo)的另一個(gè)重要因素，在這里采用對(duì)不同檔位選用最適宜的不同器件的方法來提高綜合性能。

在本方案的實(shí)施過程中，對(duì)于電流-電壓轉(zhuǎn)換級(jí)，根據(jù)不同檔位的不同應(yīng)用要求，采用了不同的電流-電壓轉(zhuǎn)換器件。

AD549的反饋式電流-電壓轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用在高檔位（10-9檔～10-11檔），實(shí)際電路如圖3所示。AD549具有超低偏置電流（60fA）、低失調(diào)電壓（0.3mV）、低失調(diào)漂移（5μV/℃）、高頻率響應(yīng)（1MHz）、高輸入阻抗（1013Ω）等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，在AD549的輸出端加入一個(gè)電位器微調(diào)反饋量，是為了補(bǔ)償高阻（反饋電阻為1010Ω）本身的誤差對(duì)增益的影響，在此電路條件下，高阻Rf需要選用負(fù)差電阻。

AD711的反饋式電流-電壓轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用在低檔位（10-3檔～10-8檔），實(shí)際電路如圖1所示。AD711的偏置電流雖然比AD549高一些（15pA），但足以勝任電流≥10-8A檔位的電流-電壓變換要求；而AD711的高頻率響應(yīng)（4MHz）可大大提高響應(yīng)速度；AD711同時(shí)具有低失調(diào)電壓（0.3mV）和失調(diào)漂移（7μV/℃），且價(jià)格遠(yuǎn)低于AD549。因此我們選用AD711作為10-3檔～10-8檔的電流-電壓轉(zhuǎn)換器件。

3 信號(hào)預(yù)處理

在電流-電壓轉(zhuǎn)換之后到最終信號(hào)輸出之前，我們將之統(tǒng)稱為信號(hào)預(yù)處理，適當(dāng)?shù)男盘?hào)預(yù)處理功能能明顯改進(jìn)微電流放大器的整體性能和與應(yīng)用相關(guān)的調(diào)控靈活性。

如果能有低噪聲、低漂移、良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性的電壓放大級(jí)相配合，將允許降低電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻的阻值，從而避開GΩ級(jí)高阻帶來的一系列技術(shù)和工藝問題。

在微電流放大技術(shù)的研究過程中，電壓放大級(jí)在與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的配合過程中，必須同時(shí)考慮到零點(diǎn)和本底噪聲的問題，因?yàn)樾盘?hào)在被電壓放大級(jí)放大的同時(shí)，零點(diǎn)和本底噪聲也被電壓放大級(jí)放大，因此在考慮電壓放大級(jí)的放大倍數(shù)時(shí)，應(yīng)該考慮電壓放大級(jí)合適的放大倍數(shù)與電流-電壓 轉(zhuǎn)換電路相匹配，以達(dá)到微電流放大器的綜合性能優(yōu)化。

信號(hào)預(yù)處理采用外掛式五階低通濾波器LTC1062，實(shí)際電路如圖4所示。

與常用的的運(yùn)算放大器阻容式濾波（Keithley的428微電流放大器就采用這種濾波電路）相比，LTC1062對(duì)直流信號(hào)是直通的，因此不會(huì)對(duì)直流信號(hào)引入附加誤差，特別適用于疊加在直流信號(hào)上的噪聲信號(hào)的濾波。另外，這種濾波器切割頻率可以通過其內(nèi)部或外部的時(shí)鐘頻率方便地加以控制。對(duì)于不同檔位對(duì)信號(hào)預(yù)處理的不同要求下可以采用不同的濾波參數(shù)。

4 接地和電磁屏蔽

由于微電流放大器最小測(cè)量范圍達(dá)到10-11A，極大的增益使得即使微小的寄生反饋（不論是通過器件間的連線還是電磁輻射）都可能引起電路的不穩(wěn)定；同時(shí)任何微小的干擾都會(huì)在放大器的輸出端造成很可觀的噪聲。

可見外界電磁干擾和電路內(nèi)部的寄生干擾對(duì)微電流放大器的性能具有嚴(yán)重影響，特別是噪聲特性、穩(wěn)定性和可靠性。這一點(diǎn)也是微電流放大技術(shù)研究的難點(diǎn)之一。

為了提高抗外界電磁干擾和盡可能消除電路內(nèi)部的寄生干擾，主要采取了以下措施：

（1）在電路設(shè)計(jì)中，各單元之間采用合理的阻抗匹配；（2）在PCB板設(shè)計(jì)中采用手工布線，以保持走線和接地合理，最大程度減小有害的寄生耦合；（3）對(duì)于高靈敏器件和單元（如電流-電壓變換器）以及具有輻射干擾信號(hào)的單元（如LTC1062和單片機(jī)等）采用有效的電磁屏蔽；（4）數(shù)字信號(hào)地和模擬信號(hào)地分開，且模擬信號(hào)采用“一點(diǎn)接地方式。在研究過程中我們還發(fā)現(xiàn)，開關(guān)電源的直流輸出中的寄生高頻信號(hào)很難消除，而且會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生比較大的影響。因此最后決定電流放大器的電源選用高質(zhì)量的模擬電源，這樣做雖然會(huì)增加一點(diǎn)整機(jī)重量，但為了提高整機(jī)性能還是必要的。

5 性能指標(biāo)測(cè)試

對(duì)微電流放大器的樣機(jī)進(jìn)行了性能指標(biāo)的測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括：零點(diǎn)測(cè)試、上升時(shí)間測(cè)試、噪聲測(cè)試以及測(cè)量精度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

6 結(jié)語

根據(jù)對(duì)微電流放大關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果，制作了微電流放大器樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，微電流放大技術(shù)的主要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)接近或者達(dá)到預(yù)期的水平，但某些方面還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間，需要在今后的工作中繼續(xù)努力提高。對(duì)于制約微電流放大器關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的“瓶頸”問題已經(jīng)有了對(duì)應(yīng)的解決方法。微電流放大技術(shù)研究，為高技術(shù)指標(biāo)的微電流放大器的制作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)該項(xiàng)研究的成果已經(jīng)成功應(yīng)用到了pA級(jí)電流的測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Low Level Measurements Keithley.