一種pA-μA量程的微弱電流放大器的製作方法
2023-09-21 01:54:25
專利名稱：一種pA-μA量程的微弱電流放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電流放大器，特別是一種在ρΑ-μ A量程的低頻微弱電流放大器。
背景技術：
微弱電流的測量在航天、核工業、生命科學等領域有著極其廣泛的應用。在航天領域，如衛星、飛船等太空飛行器的宇宙空間環境模擬試驗，太空人環境適應性試驗和其它試驗中真空度的測量，太空飛行器在太空受輻射後要逸出電子，表面聚集電荷產生洩漏電流，太空飛行器表面帶電的研究等，都需要微電流的測量；在核工業領域，如核輻射探測器和輻射劑量中，需測量電離室的電離電流；在生命科學和生物電化學方面廣泛使用微電流分析儀器也都需要測量微電流。這些電流的範圍通常在10_5-10_16Α之間。微電流測量的準確度和解析度越高， 與其相關的各種非電流測試水平越高。因此，新的微電流測量技術對這些量的測量起著重要作用。微弱電流的測量通常採用電流-電壓轉換的方法，並取得了一定的精度。通常電流放大器的前級電路由結型場效應管或絕緣柵場效應管組成的差動電路構成，但由於柵源絕緣電阻高，場效應管其夾斷電壓Ues和最大漏極電流不穩定，零點很難調節，這就使測量的穩定性差[見參考文獻一種微電流放大器的設計與探討廣西物理1999]。另外，還有使用高輸入阻抗的靜電計管測量微電流，但是，靜電計管存在壽命短、體積大、供電複雜、預熱時間長、零點和滿刻度校正煩瑣的缺點。
發明內容
本發明的主要目的，在於克服上面微電流測量技術的不足，提供一種抗幹擾能力強、零點易調、實現簡單、測量速度快、體積小，並且能夠實現pA-uA量程的微電流測量的放大器。為了達成上述目的，本發明的解決方案是一種pA-uA量程的微電流放大器，包括輸入電路、電流-電壓轉換電路、調零電路、 電壓線性放大電路、低通濾波器電路、增益控制電路和電源電路組成。其中電流-電壓轉換電路的輸入端與輸入電路相連，輸出端與電壓線性放大電路相連，同時，電流-電壓轉換電路還連接有調零電路和增益控制電路，電壓線性放大電路的輸出端連接低通濾波電路，其後連有輸出電路。被測電流輸入採用聚四氟乙烯接線柱的方法，浮空，消除電路板洩漏對輸入電流的影響；在電流-電壓轉換電路的反饋電阻兩端並聯電容，消除高值電阻熱噪聲對轉換電壓的影響；低通濾波電路消除了高頻率的噪聲幹擾的影響；調零電路消除了直流誤差源 (主要是運算放大器的失調電壓)對轉換電壓的影響；在電流電壓轉換電路中採用集成的單晶片靜電計運算放大器，克服了現有技術中選用配對場效應管的困難。採用上述技術方案後，本發明可提供一種抗幹擾能力強、噪聲小、實現簡單、可靠性高、測量速度快，並且能夠在大範圍內測量的微弱低頻信號的微電流放大器。
圖1為本發明微電流放大器的結構圖；圖2為本發明的微電流放大器電路圖；圖3為本發明改變反饋電阻的電流-電壓轉換的原理示意圖；圖4為本發明中電壓線性放大電路的原理圖；圖5為本發明中低通濾波電路的原理圖；圖6為本發明實施例中輸入電流在10_1(i-10_9A時，放大器實際輸出電壓與理論輸出電壓的關係圖。
具體實施例方式以下將結合附圖及具體實施例，對本發明的結構及工作原理進行詳細說明。如圖1所示，本發明提供的一種pA-uA量程的微電流放大器包括電流-電壓轉換電路1、調零電路2、輸入電路3、電壓線性放大電路4、低通濾波電路5、增益控制電路6、輸出電路7和電源電路8組成。電流-電壓轉換電路1由靜電計運算放大器、電子開關和不同阻值的反饋電阻構成，其輸入端與輸入電路相連，同時電流-電壓轉換電路1還接有調零電路2和增益控制電路6，通過增益控制6來選擇不同的反饋電阻，實現不同被測電流轉換成與之成比例的電壓信號，電流-電壓轉換電路1的輸出端接有電壓線性放大電路4，實現將轉換的電壓信號進一步放大，提升微電流測量電路的靈敏度，同時增益控制其電壓的放大倍數；最後電壓線性放大電路4的輸出端接低通濾波電路5，將電壓信號進行濾波，濾去頻率高於被測信號的噪聲和幹擾。最後，送到輸出電路7進行電壓輸出。下面分別對各部分詳細介紹。本實施例中，圖3所示的電流-電壓轉換電路1以運算放大器和高值反饋電阻為核心，為了使電流-電壓轉換電路具有良好的線性，運算放大器採用輸入阻抗為 ο15 Ω、偏置電流為fA級的單晶片靜電計運算放大器ΑΜ49(也即圖中的Al)；為了使電流-電壓轉換具有高的動態範圍，轉換電路中採用低漏電流的電子開關(也即圖3中的電子開關Sl…… S7)，通過電子開關選擇不同的反饋電阻來實現不同量程的電流轉換，從而實現高的動態範圍電流測量。圖4為本實施例中的電壓線性放大電路，利用動態自動校零運算放大器ICL7650 構成高共模的三運放放大器構成線性放大電路，三運放的放大電路由兩級組成，運放A2, A3 組成第一級差分電路,A4組成第二級差分電路。在第一級電路中，V1J2分別加到A2和A3的同相端，RpI^R3和R7組成的反饋網絡，引入了深度的電壓串聯負反饋。若ApA2選用相同特性的運放，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再通過第二級差分電路，可以互相抵消，故它有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，同時該電路有較高的差模電壓增益。因為後一級是差分電路，輸出阻抗也很低。圖5為該發明中採用的濾波電路，前面的電路在放大有用信號的同時，也對噪聲進行了放大，在電路中採用低通濾波器，將高頻噪聲幹擾濾除。下面配合各圖對各部分的原理進行詳細說明。結合圖3其電路分析如下被測電流Is流過運算放大器AM49L，考慮到輸入偏置電流和失調電壓的影響。有
權利要求
1.一種ρΑ-μ A量程的微弱電流放大器，包括輸入電路、電流-電壓轉換電路、調零電路、電壓線性放大電路、低通濾波器電路、增益控制電路和電源電路，輸入電路與電流-電壓轉換電路相連並向電流-電壓轉換電路輸入電流，將電流轉換成與之成比例的電壓信號，電流-電壓轉換電路的輸出端接有電壓線性放大電路，實現將轉換的電壓信號進一步放大，同時增益控制其電壓的放大倍數，電壓線性放大電路的輸出端接低通濾波電路，將電壓信號進行濾波，濾除高頻噪聲幹擾；最後，送到輸出電路進行輸出。
2.所屬權利要求1中的一種PA-μA量程的微弱電流放大器，其特徵在於電流-電壓轉換電路由高輸入阻抗的靜電計運算放大器、電子開關和不同的反饋電阻構成，利用增益控制電路選擇不同的高值反饋電阻將電流信號轉換成與反饋電阻相應比例的電壓信號。
全文摘要
本發明公開一種pA-μA量程的微弱電流放大器，包括輸入電路、電流-電壓轉換電路、調零電路、電壓線性放大電路、低通濾波電路、增益控制電路和電源電路組成。其中，電流-電壓轉換電路採用高輸入阻抗的靜電計運算放大器實現電流-電壓轉換，其輸入端與輸入電路相連，輸出端與電壓線性放大電路相連，同時，電流-電壓轉換電路還接有調零電路和增益控制電路；電壓線性放大電路的輸出端連接低通濾波電路，濾除高頻噪聲幹擾；最後，送給輸出電路輸出。此種技術可解決現有微電流測量實現複雜、預熱時間長、零點難調、儀器體積大的缺點，本發明具有抗幹擾能力強、可靠性高、測量速度快，並且能夠實現pA-μA量程低頻微弱電流放大。
文檔編號H03F1/30GK102545793SQ20101059301
公開日2012年7月4日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者張紫霞, 方美華, 陳國雲, 雷升傑, 魏志勇, 黃三玻 申請人:南京航空航天大學