直流微納電流計的設計與制作

肖索源

（西安交通大學 物理學院，陜西西安，710049）

0 引言

在材料測試、傳感器、生物醫學等領域的科研研究與工程應用中，微電流的測量有其重要地位[1～3]。尤其近年來，物聯網的興起，超低功耗超低電流的測量需求與技術探討日趨增多[4～10]，普通的數字萬用表一般測量不了納安級別的電流，而數字源表或者高精度的臺式萬用表一般較貴，不便普及。本文介紹一款低成本直流微納電流計的設計與制作方法。實際測試表明，該直流微納電流計測量精度可以達到1nA。

1 測量原理與系統設計

■1.1 測量原理

測量直流微弱電流一種常用的方法是利用傳感器將電流信號變換為直流電壓信號，然后通過直流電壓的數字化測量值計算獲得直流微弱電流的測量值[4～6]。傳感器通常可以采用一個高精度的采樣電阻來完成。由歐姆定律可知：

式(1)中直流電壓V 通過模數轉換器ADC 獲得數字化測量值，然后通過此公式計算就得到了微電流的測量值。

■1.2 系統設計

直流微納電流計主要包括I/V 變換和直流電壓測量兩個部分。對于I/V 變換，我們使用了跨阻放大器完成I/V 變換。對于直流電壓測量，我們直接采用高精度數字電壓表頭進行直流電壓的數字化測量與顯示。同時為了方便測量裝置進行校準和便攜式使用，我們還輔助設計了一個可調恒流源和電池供電單元。系統的結構框圖如圖1 所示。

圖1 為直流微納電流計的系統功能結構框圖。系統由信號調理模塊、A/D 及顯示模塊、電源模塊以及可調恒流源模塊4 個部分構成。信號調理模塊是系統的核心，它將待測的電流信號調理成A/D 采集所能接受的電壓信號并通過顯示器顯示測量結果。可調恒流源模塊用于在對設備校準時提供信號源。電源模塊主要將電池供電的電壓轉換為各模塊所需的工作電壓或參考電壓。

2 電路設計與仿真

■2.1 穩壓電路的設計與仿真

圖2 為采用Multisim 設計的穩壓電路原理圖及其仿真結果的展示。圖2 的上半部分為±5V 雙電源的穩壓電路，采用了兩片LDO 芯片AMS1117-5（U4、U5）來實現±5V電壓的輸出。圖2 中探針PR1 和PR2 的仿真結果（黃色方框）顯示分別為5.00V 和-5.00V，達到設計所需。

圖2 的下半部分電路采用了兩顆LM336BZ-2.5 穩壓管（U6、U7）實現±2.5V 的雙精密參考電壓源。[11]該輸出用作恒流源和校準電路的參考電壓源。

■2.2 恒流源電路的設計

圖3 為通過電位器自由調節輸出電流大小的恒流源電源電路圖。R10 抽頭處的電壓即正比與輸出的電流，J2 是檔位開關，實現電路±1μA 與±100nA 兩個檔位的切換。

圖3 可調恒流源電路原理圖

圖3 中，U1B 作為電壓跟隨器，所以U1B 的輸出電壓為其輸入電壓Ub，所以U1A 的同相輸入電壓U+ 等于電位器抽頭得到的輸入電壓Ui 與Ub 的平均值，即U+=(Ui+Ub)/2。由運放“虛短”可知U+=U-，所以得到U1A 的輸出電壓Ua=2U-=2U+=Ui+Ub，故可得到流經R4的電流為：

由(2)式可見流經R4 的電流僅由Ui 和R4 確定，R4固定后與Ui 成正比。而由運放的高輸入阻抗特性可知，I 就為輸出的電流，并由Ui 線性調節其大小（調節電位器R10），這樣就實現了一個可調節的恒流源。此處運放選了一顆德州儀器的高精密低功耗雙運放OPA2277[12]。

■2.3 信號調理電路的設計與仿真

圖4 為本裝置的核心部分，對微電流輸入信號進行轉換輸出為大的電壓信號的電路原理圖。開關J4 用于控制恒流源電路的輸出連接到測量電路的輸入的通斷，通上則方便直接測量恒流源的輸出；J3 為SMA 輸入接口，用于從板外接入待測信號。

圖4 信號調理電路原理圖

信號調理電路由前級跨阻放大電路、中間的RC 低通濾波器和后級校準電壓調節電路三級構成。待測電流首先通入左側的運算放大器U2 搭建的跨阻放大電路，通過1MΩ 的采樣電阻R6 產生正比于待測電流的電壓信號，然后經過低通濾波器和反向加法放大器調理后，其輸出電壓與待測電流的關系為1mV/nA。此處選擇了Intersil 公司的低失調斬波穩零高精度運算放大器ICL7650[13]。

在圖4 的J3 處我們可以加一電流源進行激勵，通過直流掃描仿真獲得其仿真結果如圖5 所示。其中圖5(a)是pA 級微小信號的仿真情況，圖5(b)是裝置設計的全量程(-2μA ～ 2μA)信號的仿真情況。可以看出該電路有非常好的線性度，數字化測量后可以不需要進行非線性校準。

圖5 信號調理電路的直流掃描仿真結果

■2.4 全裝置電路原理圖

圖6 為直流微電流表電路板上完整的電路原理圖，使用NI Multisim 14.0 繪制。系統采用雙9V 層疊電池供電，J5、J6 為連接電池的接口；J8 為連接電壓表模塊的接口。J1、J3 可以用于接出恒流源的輸出和接入待測的電流。

圖6 全裝置電路原理圖

3 測量裝置的制作與測試

■3.1 裝置的制作與校準

使用NI Ultiboard 14.0設計的PCB版圖如圖7所示。使用了1.6mm 的雙層板，尺 寸 約 為96mm×72mm，線寬約為1mm，四角有固定用的定位孔。

圖7 直流微電流表的PCB 設計版圖

圖8 給出了一張電路板焊接裝配后正常工作時的實物照片。

圖8 直流微電流表的實物照片

直流微電流表使用前需要校準。裝置電路板上有兩個用于校準時調節的電位器。其中一個調節通過加法器與待測信號相加的恒定電壓信號的大小，用于抵消輸出的直流偏置；另一個調節同相放大器的放大倍數，用于確保輸出的放大比例和真實電流信號一致。我們采用了泰克2450 數字源表來對裝置進行校準。該源表在1μA 量程模式下的輸出電流源分辨率為50pA，測量分辨率為1pA，遠超我們微納電流計的設計指標。

■3.2 裝置的測試與精度

表1 是將我們設計的微納電流計與泰克2450 數字源表的進行對比測試的數據表。

表1 微納電流計與泰克數字源表的對比測試數據表

表1 的讀數欄是直流微納電流計的讀數，誤差是電流計讀數與數字源表的輸出值之間的誤差量。從表1 測試結果可以知道，直流微電流表的整體誤差基本控制在0.03%±0.4nA 之內。

4 總結

本文介紹了一款低成本的直流微電流表的設計與制作過程。該電流表采用高精度低噪聲的大采樣電阻和斬波穩零式高精度運放實現了跨阻放大器電路設計，避免了共模輸入干擾。測量系統具有高線性度，采用了工業數字電壓顯示表頭顯示結果，簡化設計的同時也大幅提高了穩定性與可靠度。測試結果表明該裝置達到納安級的電流測量精度。