CN105548654A - 一种微弱电流检测电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微弱电流检测电路及方法，属于电流检测领域，输入端采用由场效应管对管组成差分放大器，将微弱电流进行I-V转换；转换后的电压信号送入两组具有对称同相输入形式的比例运算电路，进行比例运算放大；再将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，然后对差分运算放大电压值进行测量。本发明采用由结型场效应管对管组成差分放大器作为输入级，提高了输入阻抗，获得较高的共模抑制比；采用对称同相输入形式的精密比例运算电路结构作为中级，进一步提高了输入阻抗，提高了测量精度；采用多运放差分放大检测技术，有效解决了有用信号微弱而共模干扰相对较高的矛盾，实现了检测电路的高增益、高输入电阻和高共模抑制比。

Description

一种微弱电流检测电路及方法

技术领域

本发明属于电流检测领域，具体涉及一种微弱电流检测电路及方法。

背景技术

现有的微弱电流检测一般是采用电流取样法，即通过特制的精密取样电阻，将电流信号转变成电压取样信号，电压取样信号和基准电压进行比较运算，通过运算放大器进行反馈控制，从而达到电流检测功能。

随着检测电流的减小，运算放大器的输入阻抗对被检测电流的影响就会增大，严重影响电流检测精度。对于半导体分析仪等尖端产品，电流检测灵敏度要求往往高达nA级，甚至高达pA级，采用传统的电流检测方法，不仅检测的精度低，甚至无法进行电流检测。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种微弱电流检测电路及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，测量精度高。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微弱电流检测电路，包括输入级放大电路、中级放大电路、输出级放大电路，所述输入级放大电路包括由结型场效应管对管组成的对管差分放大电路；所述中级放大电路采用两组具有同相输入形式的比例运算放大电路；所述输出级放大电路采用差分运算放大电路；

所述输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号；所述中级放大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大；所述输出级放大电路再将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，最后对对差分运算放大电压值进行测量。

所述输入级放大电路主要采用结型场效应管对管组成的差分放大电路，可提高输入阻抗，获得较高的共模抑制比，降低输入偏置电流，从而有效地提高运算放大电路检测微弱电流信号的灵敏度；

所述中级放大电路为同相输入方式比例运算放大电路，采用同相输入方式，实现较大增益的信号放大，同时进一步提高电路输入阻抗；

所述输出级放大电路为差分运算放大电路，可有效解决有用信号微弱而共模干扰相对较高的矛盾，实现检测电路的高增益、高输入电阻和高共模抑制比，提高测量灵敏度，扩展测量范围，提高测量结果可靠性。

优选地，所述的输入级放大电路还包括漏极电流调整电路和工作点设置电路，所述漏极电流调整电路用于调整对管差分放大电路的漏极电流，所述工作点设置电路用于确定对管差分放大电路中的工作点；所述漏极电流调整电路和工作点设置电路分别通过线路和对管差分放大电路连接。

优选地，所述漏极电流调整电路采用高精度配对电阻，便于调整对管差分放大电路的漏极电流的一致性。

优选地，所述中级放大电路的电路结构采用对称形式，***电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，可提高电路的测量精度；

优选地，该微弱电流检测电路还包括增益控制反馈电路，该部分电路用于控制微弱电流检测电路的反馈系数及相位补偿，扩展了电流测量范围，并进一步提高了测量精度。

优选地，所述漏极电流调整电路包括第一可调电阻和漏极电阻，漏极电阻采用配对电阻；第一可调电阻的其中一个引出端与VCC的电源电压相连，第一可调电阻相对的两引出端分别连接至漏极电阻中配对电阻的一端；

所述工作点设置电路包括第三结型场效应管、第四电阻、第五电阻和第六电阻；第四电阻的一端接地，第四电阻的另一端和第五电阻的一端组成公共端连接至第三结型场效应管的栅极，第五电阻的另一端和第六电阻的一端组成公共端连接至Vee的电源电压，第六电阻的另一端连接至第三结型场效应管的源极。

优选地，所述对管差分放大电路包括第一结型场效应管、第二结型场效应管、第二电阻、第三电阻和第二可调电阻；第二电阻的一端连接至第一结型场效应管的栅极，第三电阻的一端连接至第二结型场效应管的栅极，第三电阻的另一端接地，第二可调电阻相对的两引出端跨接至第一结型场效应管的源极和第二结型场效应管的源极之间，第一结型场效应管的漏极和第二结型场效应管的漏极分别连接至漏极电阻中配对电阻的另一端，第二可调电阻的另一引出端连接至第三结型场效应管的漏极。

优选地，所述中级放大电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第十二电阻、第十三电阻和第三可调电阻；第一运算放大器的同相输入端和第二运算放大器的同相输入端分别连接至第一结型场效应管的漏极和第二结型场效应管的漏极，第十二电阻跨接至第一运算放大器的反相输入端和其输出端之间，第十三电阻跨接至第二运算放大器的反相输入端和其输出端之间，第三可调电阻相对的两引出端跨接至第一运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的反相输入端之间，第三可调电阻的另一引出端连接至第二运算放大器的反相输入端。

优选地，差分运算放大电路包括第三运算放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻；第十四电阻的一端连接至第一运算放大器的输出端，第十四电阻的另一端和第十六电阻的一端组成公共端连接至第三运算放大器的反相输入端，第十六电阻的另一端连接至第三运算放大器的输出端，第十五电阻的一端连接至第二运算放大器的输出端，第十五电阻的另一端和第十七电阻的一端组成公共端连接至第三运算放大器的同相输入端，第十七电阻的另一端接地。

优选地，所述增益控制反馈电路包括第七电阻、第八电阻和继电器，第七电阻的一端和第二电阻的另一端连接至I_S的电流源的一端，I_S的电流源的另一端接地，第七电阻的另一端和第八电阻连接至继电器的一端，第八电阻的另一端和继电器的另一端组成公共端连接至第三运算放大器的输出端。

本发明微弱电流检测电路的原理是：

在微弱电流测量时，低噪声是输入级放大电路设计的关键，这一级的噪声大小直接决定了整个运放的噪声特性，场效应管的噪声比双极晶体管小，结型场效应管噪声系数更低，因此输入级采用结型场效应管作为差分输入结构，同时，结型场效应管具有很高的直流输入电阻R_GS，所以整个电路的开环差模输入电阻高达10¹¹～10¹⁴Ω，有效地提高了输入电阻。此外，采用对管还可以获得较高的共模抑制比，结型场效应管工作时，它的PN结上加的是反相电压，栅极电流基本上为零，所以电路的输入偏置电流可小到10^-11～10^-12A。高输入阻抗使被测微弱电流几乎完全通过反馈电阻，而通过放大器内阻的电流几乎为零，使测量更准确。

由于输入级放大电路的噪声要求严格，不可能兼顾很高的增益，因此在中间放大级采用集成运放接成比例运算结构来提高整个电路的增益，从而尽可能放大被测微弱电流信号。同时，采用同相输入方式，使得电路输入阻抗进一步提高。电路结构采用对称形式，***电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，提高电路的测量精度，否则电路的放大倍数、共模抑制比和精度等会明显降低。

输出级放大电路采取运放差分放大检测技术，有效解决了有用信号微弱而共模干扰相对较高的矛盾，实现检测电路的高增益、高输入电阻和高共模抑制比。

此外，本发明还提到一种微弱电流检测方法，该方法采用上述的一种微弱电流检测电路，按照如下步骤进行：

步骤1：通过输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号；

步骤2：通过中级放大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大；

步骤3：通过输出级放大电路将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，得到差分运算放大电压值；

步骤4：对差分运算放大电压值进行测量。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种微弱电流检测电路及方法，与现有技术相比，一种微弱电流检测电路及方法，采用由结型场效应管对管组成差分放大器作为输入级，提高了输入阻抗，获得较高的共模抑制比；采取对称同相输入形式的精密比例运算电路结构，电路输入阻抗进一步提高，且使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，提高了电路的测量精度；采取多运放差分放大检测技术，有效解决了有用信号微弱而共模干扰相对较高的矛盾，实现了检测电路的高增益、高输入电阻和高共模抑制比；采用增益控制反馈电路，不仅扩展了电流测量范围，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明一种微弱电流检测电路的电路结构框图。

图2为本发明一种微弱电流检测电路的电路图。

图3为本发明一种微弱电流检测方法的流程框图。

其中，1-输入级放大电路；101-漏极电流调整电路；102-对管差分放大电路；103-工作点设置电路；2-中级放大电路；3-输出级放大电路；4-增益控制反馈电路。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图1所示，包括输入级放大电路1、中级放大电路2、输出级放大电路3，所述输入级放大电路1包括由结型场效应管对管组成的对管差分放大电路102；所述中级放大电路2采用两组具有同相输入形式的比例运算放大电路；所述输出级放大电路3采用差分运算放大电路。

微弱电流输入到对管差分放大电路102的输入端，进行前置差分放大，增大了输入阻抗，同时将电流信号转变成电压信号，便于后端电路信号处理；对管差分放大电路102的输出端输出的差分电压信号分别输入到两个比例运算放大电路组成的中级放大电路2，进行二次比例运算放大，并进一步增大了输入阻抗；中级放大电路2输出信号到输出级放大电路3，进行差分运算放大输出，并再次增大了输入阻抗，同时进行输入-输出阻抗变换，降低输出阻抗，避免后端电路对本发明检测电路的影响；漏极电流调整电路101用于调整对管差分放大电路102的漏极电流，工作点设置电路103用于确定对管差分放大电路102中的工作点，增益控制反馈电路4用于控制微弱电流检测电路的反馈系数及相位补偿。

如图2所示，在测量微弱电流时，在放大器的输入端采用由结型场效应管对管组成对管差分放大电路102作为输入级，提高了输入电阻，结型场效应管具有很高的直流输入电阻R_GS，所以整个电路的开环差模输入电阻高达10¹¹～10¹⁴Ω；同时，采用对管还可获得较高的共模抑制比；结型场效应管工作时，它的PN结上加的是反相电压，栅极电流基本上为零，所以电路的输入偏置电流可小到10^-11～10^-12A；高输入阻抗使被测微弱电流几乎完全通过反馈电阻，而通过放大器内阻的电流几乎为零，使得测量更准确。

所述漏极电流调整电路101包括第一可调电阻R9和漏极电阻R1，漏极电阻R1采用高精度配对电阻，便于调整对管差分放大电路102的漏极电流的一致性；第一可调电阻R9的其中一个引出端与VCC的电源电压相连，第一可调电阻R9相对的两引出端分别连接至漏极电阻R1中配对电阻的一端。

所述工作点设置电路103包括第三结型场效应管V3、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6；第四电阻R4的一端接地，第四电阻R4的另一端和第五电阻R5的一端组成公共端连接至第三结型场效应管V3的栅极，第五电阻R5的另一端和第六电阻R6的一端组成公共端连接至Vee的电源电压，第六电阻R6的另一端连接至第三结型场效应管V3的源极。

所述对管差分放大电路102包括第一结型场效应管V1、第二结型场效应管V2、第二电阻R2、第三电阻R3和第二可调电阻R10；第二电阻R2的一端连接至第一结型场效应管V1的栅极，第三电阻R3的一端连接至第二结型场效应管V2的栅极，第三电阻R3的另一端接地，第二可调电阻R10相对的两引出端跨接至第一结型场效应管V1的源极和第二结型场效应管V2的源极之间，第一结型场效应管V1的漏极和第二结型场效应管V2的漏极分别连接至漏极电阻中配对电阻的另一端，第二可调电阻R10的另一引出端连接至第三结型场效应管V3的漏极。

所述中级放大电路包括第一运算放大器N1、第二运算放大器N2、第十二电阻R12、第十三电阻R13和第三可调电阻R11；第一运算放大器N1的同相输入端和第二运算放大器N2的同相输入端分别连接至第一结型场效应管V1的漏极和第二结型场效应管V2的漏极，第十二电阻R12跨接至第一运算放大器N1的反相输入端和其输出端之间，第十三电阻R13跨接至第二运算放大器N2的反相输入端和其输出端之间，第三可调电阻R11相对的两引出端跨接至第一运算放大器N1的反相输入端和第二运算放大器N2的反相输入端之间，第三可调电阻R11的另一引出端连接至第二运算放大器N2的反相输入端。

差分运算放大电路包括第三运算放大器N3、第十四电阻R14、第十五电阻R15、第十六电阻R16和第十七电阻R17；第十四电阻R14的一端连接至第一运算放大器N1的输出端，第十四电阻R14的另一端和第十六电阻R16的一端组成公共端连接至第三运算放大器N3的反相输入端，第十六电阻R16的另一端连接至第三运算放大器N3的输出端，第十五电阻R15的一端连接至第二运算放大器N2的输出端，第十五电阻R15的另一端和第十七电阻R17的一端组成公共端连接至第三运算放大器N3的同相输入端，第十七电阻R17的另一端接地。

所述增益控制反馈电路4包括第七电阻R7、第八电阻R8和继电器K1，第七电阻R7的一端和第二电阻R2的另一端连接至I_S的电流源的一端，I_S的电流源的另一端接地，第七电阻R7的另一端和第八电阻R8连接至继电器K1的一端，第八电阻R8的另一端和继电器K1的另一端组成公共端连接至第三运算放大器N3的输出端。

图2中的V1、V2采用结型场效应管对管，以提高对管差分放大电路102的共模抑制比；R1是漏极电阻，采用高精度配对电阻，便于调整差分对管漏极电流的一致性；R2、R3构成对称阻尼限流电阻，用于保护结型场效应对管V1、V2，并用于消除栅极震荡信号；由R4、R5确定V3的工作点，保证其工作在电路所需要的静态工作状态；R9、R10采用精密多圈电位器，用于调整结型场效应对管V1、V2的漏极电流，从而减小电路的失调电压及失调电流。R9采用低噪声精密电位器，可调节中级放大电路2的的增益。结型场效应对管V1、V2的选用，应根据栅极电阻R_GS与栅极电流I_GS的大小关系进行相应选型，通过在放大器的输入端串接场效应管对管V1、V2，提高放大器的输入阻抗。

图2中的N1、N2采用双路低输入电流高精密运放AD706，输入电流在50pA以内；N3采用超低噪声高精密运放OPA27；两者都接成比例运算电路形式，且均采用同相输入方式，使得电路输入阻抗高。三级放大电路可保证电路具有良好的放大能力，电路等效增益为100dB以上。电路结构采用对称形式，***电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，以提高电路的测量精度，否则电路的放大倍数、共模抑制比和精度等将明显降低。根据集成运放的虚断和虚短原理，可得输出和输入关系为：Vo＝-Is×R，式中R为R7和R8的串联等效电阻值。

图2中的R7、R8采用ACC公司的超高精密电阻器，具有高精度、高稳定性。K1采用3U公司的高绝缘电阻型继电器，具有较好的电磁屏蔽特性，用于被测电流的换档增益控制。当被测电流在10pA～100pA范围时，控制信号控制K1断开，R等于R7和R8串联阻值；当被测电流在100pA～1000pA范围时，控制信号控制K1闭合，R等于R7阻值。这样就可以实现电路的增益控制变换，其有益效果是不仅能够扩展电流测量范围，而且可以进一步提高了测量精度。

由样机电路测试数据结果见表1：

表1测试数据

从表1可以看出，本发明样机电路在10pA～100pA和100pA～1000pA范围内都具有较好的线性度，电路具有较高的微弱电流测试灵敏度和精确度。对于低至10pA的微弱电流，其最大测量误差仅为1.128％，而对于电流1000pA的微弱电流，其测量误差更是仅为0.021％。由于采用了增益控制反馈电路，不仅扩展了电流测量范围，在高档量程范围进一步提高了测量精度。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明提供一种微弱电流检测方法(如图3所示)，用于检测微弱电流，其中，按照如下步骤进行：

步骤1：通过输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号；

步骤2：通过中级放大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大；

步骤3：通过输出级放大电路将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，得到差分运算放大电压值；

步骤4：对差分运算放大电压值进行测量。

本发明一种微弱电流检测电路及方法，采用由结型场效应管对管组成差分放大器作为输入级，提高了输入阻抗，获得较高的共模抑制比；采取对称同相输入形式的精密比例运算电路结构，电路输入阻抗进一步提高，且使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，提高了电路的测量精度；采取多运放差分放大检测技术，有效解决了有用信号微弱而共模干扰相对较高的矛盾，实现了检测电路的高增益、高输入电阻和高共模抑制比；采用增益控制反馈电路，不仅扩展了电流测量范围，进一步提高了测量精度。本发明电路具有较高的测试灵敏度和良好的测试精度、线性度，达到了本发明专利的设计目标。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微弱电流检测电路，包括输入级放大电路、中级放大电路、输出级放大电路，其特征在于：所述输入级放大电路包括由结型场效应管对管组成的对管差分放大电路；所述中级放大电路采用两组具有同相输入形式的比例运算放大电路；所述输出级放大电路采用差分运算放大电路；

所述输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号；所述中级放大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大；所述输出级放大电路再将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，最后对对差分运算放大电压值进行测量。

2.根据权利要求1所述的微弱电流检测电路，其特征在于：所述的输入级放大电路还包括漏极电流调整电路和工作点设置电路，所述漏极电流调整电路用于调整对管差分放大电路的漏极电流，所述工作点设置电路用于确定对管差分放大电路中的工作点；所述漏极电流调整电路和工作点设置电路分别通过线路和对管差分放大电路连接。

3.根据权利要求1所述的微弱电流检测电路，其特征在于：所述中级放大电路的电路结构采用对称形式。

4.根据权利要求1所述的微弱电流检测电路，其特征在于：该微弱电流检测电路还包括增益控制反馈电路，所述增益控制反馈电路用于控制微弱电流检测电路的反馈系数及相位补偿。

5.根据权利要求2所述的微弱电流检测电路，其特征在于：所述漏极电流调整电路包括第一可调电阻和漏极电阻，漏极电阻采用配对电阻；第一可调电阻的其中一个引出端与VCC的电源电压相连，第一可调电阻相对的两引出端分别连接至漏极电阻中配对电阻的一端；

所述工作点设置电路包括第三结型场效应管、第四电阻、第五电阻和第六电阻；第四电阻的一端接地，第四电阻的另一端和第五电阻的一端组成公共端连接至第三结型场效应管的栅极，第五电阻的另一端和第六电阻的一端组成公共端连接至Vee的电源电压，第六电阻的另一端连接至第三结型场效应管的源极。

6.根据权利要求1所述的微弱电流检测电路，其特征在于：所述对管差分放大电路包括第一结型场效应管、第二结型场效应管、第二电阻、第三电阻和第二可调电阻；第二电阻的一端连接至第一结型场效应管的栅极，第三电阻的一端连接至第二结型场效应管的栅极，第三电阻的另一端接地，第二可调电阻相对的两引出端跨接至第一结型场效应管的源极和第二结型场效应管的源极之间，第一结型场效应管的漏极和第二结型场效应管的漏极分别连接至漏极电阻中配对电阻的另一端，第二可调电阻的另一引出端连接至第三结型场效应管的漏极。

7.根据权利要求1所述的微弱电流检测电路，其特征在于：所述中级放大电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第十二电阻、第十三电阻和第三可调电阻；第一运算放大器的同相输入端和第二运算放大器的同相输入端分别连接至第一结型场效应管的漏极和第二结型场效应管的漏极，第十二电阻跨接至第一运算放大器的反相输入端和其输出端之间，第十三电阻跨接至第二运算放大器的反相输入端和其输出端之间，第三可调电阻相对的两引出端跨接至第一运算放大器的反相输入端和第二运算放大器的反相输入端之间，第三可调电阻的另一引出端连接至第二运算放大器的反相输入端。

8.根据权利要求1所述的微弱电流检测电路，其特征在于：差分运算放大电路包括第三运算放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻和第十七电阻；第十四电阻的一端连接至第一运算放大器的输出端，第十四电阻的另一端和第十六电阻的一端组成公共端连接至第三运算放大器的反相输入端，第十六电阻的另一端连接至第三运算放大器的输出端，第十五电阻的一端连接至第二运算放大器的输出端，第十五电阻的另一端和第十七电阻的一端组成公共端连接至第三运算放大器的同相输入端，第十七电阻的另一端接地。

9.根据权利要求4所述的微弱电流检测电路，其特征在于：所述增益控制反馈电路包括第七电阻、第八电阻和继电器，第七电阻的一端和第二电阻的另一端连接至I_S的电流源的一端，I_S的电流源的另一端接地，第七电阻的另一端和第八电阻连接至继电器的一端，第八电阻的另一端和继电器的另一端组成公共端连接至第三运算放大器的输出端。

10.一种微弱电流检测方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种微弱电流检测电路，按照如下步骤进行：

步骤1：通过输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号；

步骤2：通过中级放大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大；

步骤3：通过输出级放大电路将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，得到差分运算放大电压值；

步骤4：对差分运算放大电压值进行测量。