微弱电流放大的基本电路

在一些特殊的场合,需要对小信号进行测量、采集,经常电压满足,电流不满足,信号 太弱,这时候我们需要放大小信号的电流,单片机终结 专业开发电路设计,十多年。现在我们对电流放大器常用的芯片给大家 做一下介绍。

首先看ICH8500官方给的结构框图,微弱电流放大用的基本电路:

 

放大器接成典型的反向放大器,但没有输入电阻,其实是一个电流-电压变换器,并有几点不同:
a、有保护(Guard,作用见下)
b、反馈电阻Rfb非常大,为10的12次方欧姆,即1T
c、有个反馈电容Cfb,用来与输入等效电容分压,提高响应时间。

电流合成点,就是一个虚地。只要运放在工作状态,这个地方就能保持地电位。当有输入电流的时候,这个电流不会流入运放的负端(因为Ib非常小而且基本不变),所以全部的电流都流进Rfb里了,造成输出端下降,下降的电压就是输入电流与该电阻的乘积。所以这一点也就是电流合成点,多个电流可以在这点相加的,但这一点的电压不随输入电流而变,总是保持在地点位,因此才称为虚地。

由于Rfb非常大达到1T,因此1pA的输入电流就会引起1V的输出,这样,用2V的电压表,就可以实现满度2pA的微电流计。
同时,为了能使用大的Rfb,就必须对运放的偏置电流Ib要求非常小,要远小于满度的2pA才行。否则,我们看负载开路时,Ib就要全部流过Rfb,1pA就产生了1V的假输出,这是不允许的。
实际上。Ib总是存在的,需要有补偿和调零电路。即便这样,指标也很难做好,因为Ib的变动是很无常的,尤其是其温度系数很大,会在很大程度上干扰测试结果。
所以,要想做微电流测试,Ib是最重要的参数,必须选择小的。

另一方面,运放的正负输入之间的失调电压Vos,多少也会影响准确测试。
Vos,是直接叠加到输出信号上去的。假设Vos=10mV,那么本来是1V输出,叠加后就有1.01V了,形成1%的误差。假设输入电流小,为0.1pA,那么计算输出只有0.1V,实际输出0.11V,影响就更大了,达到10%。所以,Vos还是小了好。后面将会看到,由于在产生微小电流的时候,需要小的电压,Vos所占的比例就更突出了,这样也要求运放的Vos小。
Vos如果不够小,可以通过补偿电路来大部分抵消。但是,Vos是有温度系数的,温度一变最后的输出也跟找变了,这也使得Vos的温度系数成文重要指标之一。

测试微电流的其它方法

测试微电流,还可以用其它很多方法,比如:
电流-频率变换法。由于常见的频率范围特别宽,也容易产生,因此这种方法动态范围很大,并且可以远距离传输而无走样。这种方法做好了精度也非常高。有一款光探测IC TSL230,就可以直接把光电流转换成频率,在一个不换档的量程里轻易取得6个数量级的动态范围,我实际测试达到7个数量级,最小可以响应0.1pA的电流。

静电累计法,或者叫电容充电法。选用漏电超低、介质特性良好的电容,让被测试电流先充电,达到某个条件后,再让这电容放电,由此根据Q=I*T=C*V来得到被测试电流。由于有累积作用,因此可以测试的下限非常低,精度也很高。这种电路的弱点是复杂些,测试时间较长,需要特殊电容。

常见的静电放大器

Ib最小的,当属Intersil早年的ICH8500A,指标Ib不大于10fA!

但是,这个运放比较粗糙,Vos达到50mV,其温度系数大约1mV/C也很大,因此谈不上精密,这样对输入要求就比较高,最好是恒流的或电压较高的。也就是说,这款IC放大弱电流非常有效,但放大微电压不行,要求被放大对象有很高的内阻。

其次是LMC6001A,这是一款近期的产品。指标Ib不大于25fA,也是相当不错的,尤其是Vos<0.35mV,比较小了,可以算成精密运放了,其温度系数2.5uV/C也并不很大,尤其是其电压噪音和电流噪音都非常小,这样就能测试更小的微弱信号,并有较好的重复。

AD549L,Ib <60fA,稍有偏大,但Vos<0.5mV也算不错,其温度系数5uV/C,中等。这款常被用来做简单的静电计或相关应用。ADI公司还有其它几款类似的,例如AD515AL,Ib <75fA。

OPA128L,Ib <75pA,也稍偏大了,其它特性与AD549L很类似(尽管BB自吹比AD549L强)。另外,BB的东西还有个弱点,就是贵一些。

LMC6042A,尽管Ib保证最小值不算小(4pA),但典型值超低,达到惊人的2fA。另外,其温度系数1.3uV/C并不大。这个IC价格低、耗电少,很适合做成电池供电的静电计。通过挑选,可以找到性能不错的。

另外,国半还有几款典型Ib为2fA的运放,比如LMC6041/4、LPC661/2、LMC660/1/2。另外,还有几款典型Ib为10fA的,例如LMC6061/2/4、LMC6081/2/4,都可以用作相同目的。

最后,曾经看到有一文献,介绍两款Ib不超过0.01pA的运放,一个是3430K,另一个是4M-7592,但根本找不到资料,也没见过实物,因此就排除在外。怀疑3430K的前缀是CA,也怀疑4M是LM的笔误,但都无结果。

 

 

最后再说说弱电流是怎么产生的:

电压+电阻法
这是一种最简单的弱电流产生办法,电压一般可以做的比较精确,因此关键在于高阻的准确和稳定。
例如要产生1pA的电流,可以用如下电压-电阻组合:
1V、1T
0.1V、100G
10mV、10G
这样的方法并非恒流,只适合负载是接近与0的场合。电压越高的,对负载的零偏就越不敏感。
例如1V+1T,目标负载上如果有10mV,那总电压就是1V-10mV=0.99V了,因此存在1%的误差。类似,此时若用0.1V+100G,误差就增大到10%。如果用10mV+10G的方法,误差就达到100%了!
当然,如果一味追求近恒流特性,要求电压和电阻都比较高,而高阻是难于得到的。

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