微電流放大技術(shù)研究

尹小龍　杜繼友（中國核動力研究設(shè)計院，四川成都　610213）

微電流放大技術(shù)研究

尹小龍杜繼友（中國核動力研究設(shè)計院，四川成都610213）

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。研究內(nèi)容包括：高性能電流-電壓轉(zhuǎn)換電路研究、高性能電壓放大級的研究、信號預(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)的電流測量范圍為103V/A～1011V/A，測量精度、響應(yīng)時間及噪聲指標(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。

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)驗中具有廣泛的應(yīng)用，例如，反應(yīng)堆核功率測量、中子注量率倍增周期測量、模擬及數(shù)字化反應(yīng)性儀的中子信號測量等。同時高精度快響應(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)電流測量、生物電流測量、壓電材料測試、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，國外長期以來進(jìn)行了大量的研究開發(fā)工作，主要有以下幾個方面：

（1）著力開發(fā)性能更優(yōu)良的電流放大器件同時不斷改進(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）針對現(xiàn)有器件的特點(diǎn)，研究能夠針對其性能揚(yáng)長避短的電路，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。

本文針對在目前現(xiàn)有器件、材料和工藝條件下，對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)，同時對微電流放大器樣機(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。

圖1　微電流測量原理圖

圖2　微電流放大器樣機(jī)原理框圖

1　微電流放大測量原理

微電流測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，RfIVo·-=輸出電壓Vo與測量電流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。同時高質(zhì)量電壓放大單元、信號預(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。

圖3　AD549電流-電壓轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路

圖4　5階低通濾波器應(yīng)用電路圖

表1　

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)的另一個重要因素，在這里采用對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，對于電流-電壓轉(zhuǎn)換級，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）本身的誤差對增益的影響，在此電路條件下，高阻Rf需要選用負(fù)差電阻。

老巴沒睡著，音樂也傳到他的房間。他突然拿出幾盒磁帶出來，遞給阿東。老巴說：“你姆媽以前喜歡玩錄音機(jī)，不曉得這里面有沒有她唱的歌。”

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同時具有低失調(diào)電壓（0.3mV）和失調(diào)漂移（7μV/℃），且價格遠(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　信號預(yù)處理

在電流-電壓轉(zhuǎn)換之后到最終信號輸出之前，我們將之統(tǒng)稱為信號預(yù)處理，適當(dāng)?shù)男盘栴A(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、良好的動態(tài)特性和穩(wěn)定性的電壓放大級相配合，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，電壓放大級在與電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的配合過程中，必須同時考慮到零點(diǎn)和本底噪聲的問題，因為信號在被電壓放大級放大的同時，零點(diǎn)和本底噪聲也被電壓放大級放大，因此在考慮電壓放大級的放大倍數(shù)時，應(yīng)該考慮電壓放大級合適的放大倍數(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對直流信號是直通的，因此不會對直流信號引入附加誤差，特別適用于疊加在直流信號上的噪聲信號的濾波。另外，這種濾波器切割頻率可以通過其內(nèi)部或外部的時鐘頻率方便地加以控制。對于不同檔位對信號預(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；同時任何微小的干擾都會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)計中，各單元之間采用合理的阻抗匹配；（2）在PCB板設(shè)計中采用手工布線，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)字信號地和模擬信號地分開，且模擬信號采用“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很難消除，而且會對測量結(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)測試對微電流放大器的樣機(jī)進(jìn)行了性能指標(biāo)的測試，測試內(nèi)容包括：零點(diǎn)測試、上升時間測試、噪聲測試以及測量精度測試，測試結(jié)果見表1。

從測試結(jié)果可以看出，微電流放大器樣機(jī)的性能指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的水平。

6　結(jié)語

根據(jù)對微電流放大關(guān)鍵技術(shù)的研究結(jié)果，制作了微電流放大器樣機(jī)，并對樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試，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)。同時該項研究的成果已經(jīng)成功應(yīng)用到了pA級電流的測量。

［1］Low Level MeasurementsKeithley.

尹小龍（1978—），男，陜西眉縣人，高級工程師。2000年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)自動控制專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事反應(yīng)堆專用儀控電氣設(shè)備研究。