基于改進型高精密I/V轉換電路的電流采樣單元

王卉 王琦琦 胡波

摘 要：基于I/V變換電流采樣是常用的弱電流檢測方案，其中的反饋電流放大型測量電路結構較簡單，轉換的線性較好，電路頻率響應特性較好，在加入有效的硬件和軟件抗干擾措施后，可以提高測量精度和穩定性。本文首先對I/V電路進行改進并按下述方法改進進行對比分析，其次提出先模擬開關切換后I/V轉換的電流采集方案，最終得到改進型高精密I/V轉換電路的電流采樣單元，提高了電路的測量精度。

關鍵詞：I/V轉換電路;電流采樣單元;電路設計

引言

通過對傳統的I/ V轉換電路定義不難看出這類I/V轉換存在著共模抑制比低、輸入阻抗低等缺點，在弱小信號轉換中，產生的誤差較大。傳統的電流采樣電路設計方案中，先進行I/V轉換，再模擬開關切換。I/V轉換中反饋電阻參數的分散性及信號放大處理電路中各通道的不均勻誤差對測量結果的準確性有很大影響。綜上所述，基于上述原因為此需要設計一種高精密的I/V轉換電路結構使得漂移、噪聲、失調電壓和失調電流等相互抵消，提高了電路的微電流測量精度。同時提出了電流先通過模擬開關進行切換，然后再利用精密I/V轉換電路從原理上消除先I/V轉換后模擬開關切換帶來的分散性誤差。

1 ?基本I/ V轉換電路

在對信號放大和信號處理前，需要把電流信號轉換成電壓信號，I/V轉換電路實現了信號從電流到電壓的轉換。基本實用的I/V轉換電路有以下兩種，如圖1所示，（a）為反相輸出電路，其輸出為

2 改進型高精密I/V轉換電路設計

2.1 ?高阻抗負反饋運放放大法

該方法從屬性上講歸于I/V轉換的一類。其機理是依靠大電阻的反饋作用，使得未知電流在流過電阻后變換成相關的電壓。它的理想的 IO 的相關性是：V0=-Ii*Rf， 開環增益 Ad并非無限大，而且，不可避免地暴露出偏置電流IB及輸入失調電壓VOS的問題。因此，I -V轉換的真實輸出是： V'O=-I1Rf+（VOS-V'O/A d）+IBR。誤差ΔVO= VOS-V'O/Ad+ IBR， 不難看出，運放的三個變量引起的噪聲對VO存在一定程度的作用。在測量極為微弱的電流情況下，我們通常要求放大倍數Ad及反饋電阻Rf的數值足夠大。

2.2運算放大器I-V轉換法

反饋電流積分型I-V 轉換法是于放大器內引進積分電容，于是在形式上和功能上實現了密勒積分器的定義。進而使待測微電流信號通過電容進行充電，變換為鋸齒式的電壓信號，最終再把電壓信號通過一定的數學運算變換為頻率信號。它的穩定性優于電流放大型，同時因為積分器體現的是在特定時間內對電流的積分，因為對噪聲及環境條件的抵抗力較強。根據集成運放的虛短和虛斷原理。可得輸入輸出關系為：Vout=Is*R*（1+2R2/R1）R6/R4。由此，設計高精密I/V轉換電路，其電路結構如下圖2所示。

3 ?電流采樣單元方案設計

常規的電流采集方案由于采用了多個I/V轉換給系統帶來了各通道的分散性誤差導致其設計方案存在弊端。基于上述原因提出了電流先通過模擬開關進行切換，然后再利用精密I/V轉換電路，得到相應的電壓，此方案可從原理上消除先I/V轉換后模擬開關切換帶來的分散性誤差。減少了常規電流采集方案中各通道增益的分散性誤差又減少了電路設計的成本。先模擬開關切換后I/V轉化方案雖克服了常規方案中的較大的分散性誤差和成本過大等缺點。

4 ?結束語

筆者提出了一種基于改進型高精密I/V轉換電路的電流采樣單元，綜合上述方案進行對比分析，本文采取高精密I/V轉換電路方案。電路結構采用對稱形式，外圍電阻采用高精密電阻，使得漂移、噪聲、失調電壓和失調電流等相互抵消，提高了電路的測量精度。

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