極微弱準(zhǔn)直流電流信號測量電路的設(shè)計

于向前，陳鴻飛，鄒 鴻，施偉紅，鄒積清，仲維英

(北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100871)

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極微弱準(zhǔn)直流電流信號測量電路的設(shè)計

于向前，陳鴻飛，鄒 鴻，施偉紅，鄒積清，仲維英

(北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院空間物理與應(yīng)用技術(shù)研究所，北京 100871)

針對極微弱準(zhǔn)直流電流信號檢測中的噪聲和零點(diǎn)漂移問題，采用理論分析和數(shù)值計算的方法設(shè)計了一款檢測電路，包括前置放大器、主放大器和濾波電路。試驗表明，該電路具有較低的噪聲、較高的靈敏度、較寬的量程和較低的零點(diǎn)漂移量，能夠滿足實際測量要求。實驗結(jié)果與理論分析和數(shù)值模擬相吻合，可以為極微弱直流電流信號測量技術(shù)領(lǐng)域的研究工作提供參考。

極微弱準(zhǔn)直流電流信號測量；前置放大器；噪聲分析；AD549；LTC1150

0 引言

在空間探測技術(shù)、核探測技術(shù)及其它儀器儀表研究領(lǐng)域，需要準(zhǔn)確測量極微弱的準(zhǔn)直流電流信號，例如，在某空間探測儀器的研制中，在傳感器輸出信號以后，就需要用到量程范圍為0.1～100 pA的準(zhǔn)直流電流測量電路。微弱信號極易受到周圍環(huán)境的干擾，而淹沒在噪聲中。在實際電路設(shè)計中，任何一個細(xì)節(jié)的疏忽都有可能造成測量的失敗。微弱信號分為準(zhǔn)直流信號和交流信號。前者與后者相比，不僅要考慮信噪比，還要考慮零點(diǎn)漂移問題。針對某空間探測儀器的要求，設(shè)計了一款極微弱準(zhǔn)直流電流信號測量電路，具有噪聲低、零點(diǎn)漂移小、穩(wěn)定性好、量程寬和體積小等特點(diǎn)。

1 電路設(shè)計

1.1 電路原理框圖

電路的原理框圖如圖1所示。傳感器可以等效為一個電流源ID、一個電阻RD和一個電容CD并聯(lián)。電流源的輸出電流范圍，即傳感器的輸出電流信號幅度為0.1～100 pA，這就要求后續(xù)放大電路能夠處理0.1 pA的電流信號。考慮到系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移應(yīng)該盡量小，前置放大器只完成阻抗匹配，即將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，主放大器采用具有低零點(diǎn)漂移的斬波放大器LTC1150，對信號起主要放大作用。濾波器的作用是濾掉高頻噪聲，為了減少元器件的使用，將濾波器的設(shè)計和主放大器的設(shè)計結(jié)合起來。

圖1 極微弱準(zhǔn)直流電流信號測量電路原理框圖

1.2 前置放大器的噪聲分析和參數(shù)選擇

前置放大器是電路的核心，決定了電路的噪聲水平和響應(yīng)時間常數(shù)。據(jù)Friis公式可知，前置放大器的噪聲系數(shù)對放大器的總噪聲系數(shù)影響最大[1]。故要求前置放大器必須噪聲小、增益穩(wěn)定、精確、抗干擾能力強(qiáng)。前置放大器的設(shè)計分為JEFT對管法和高性能運(yùn)算放大器法。隨著低噪聲運(yùn)放技術(shù)的不斷發(fā)展，直接選用低噪聲運(yùn)放設(shè)計傳感器前置放大器，成為一種重要的發(fā)展趨勢[2]。運(yùn)放的應(yīng)用大大簡化了低噪聲電路的設(shè)計和調(diào)校。

設(shè)計前置放大器的任務(wù)，就是在給定的傳感器輸出信號幅度、傳感器內(nèi)阻、傳感器等效電容、放大器增益、阻抗和響應(yīng)特性等條件下，使放大器的噪聲特性最佳，即輸出信號具有最佳的信噪比。高性能運(yùn)算放大器的選擇原則是：輸入偏置電流IB、輸入失調(diào)電流IOS及輸入失調(diào)電壓VOS要盡量??；電流噪聲iN和電壓噪聲eN要盡量?。还材Ｒ种票?CMRR)要盡量大；輸入阻抗RIN要盡量大；漂移要盡量小。同時，還要考慮到空間的特殊應(yīng)用環(huán)境。經(jīng)過大量篩選，決定選用運(yùn)算放大器AD549芯片。以AD549芯片為核心的前置放大器有兩種反饋形式：直接電阻反饋法和“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法。其基本電路模式分別如圖2和圖3所示。

圖2 電阻直接反饋法電路

圖3 T型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法電路

對于電阻直接反饋法，Vo=Iin·RF，響應(yīng)時間常數(shù)τ=RF·Cs。對于“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法，Vo=Iin·RF(1+R1/RF+R1/R2)，響應(yīng)時間常數(shù)τ=RF·Cs。

接下來將建立這兩種反饋方法組成的前置放大器的噪聲模型，以選取反饋方式。直接電阻反饋法的噪聲模型如圖4所示[3]。其中，ID為傳感器等效電流源；RD為傳感器等效電流源的內(nèi)阻；CD為傳感器等效電流源等效電容；Cia為前置放大器輸入電容，其中雜散電容為1 pF，實際電路中為了對高阻抗運(yùn)算放大器反向輸入端進(jìn)行保護(hù)，并聯(lián)一個200 pF的電容，故Cia≈200 pF；eni為前置放大器的反向端噪聲電壓；ini為前置放大器的噪聲電流；Cs為跨接電容，為了保證系統(tǒng)的響應(yīng)時間常數(shù)，此處取為300 pF；RF1為反饋電阻，取為2 GΩ，此時系統(tǒng)的時間常數(shù)τ1=2 GΩ·300 pF=0.6 s。能夠滿足系統(tǒng)每s采集1次數(shù)據(jù)的要求。enR1為反饋電阻RF1在前置放大器輸出端的噪聲電壓。

圖4 直接電阻反饋法噪聲模型

輸出電壓的噪聲eno1包括前置放大器的噪聲電流造成的輸出電壓噪聲enoi1，反饋電阻RF1造成的輸出電壓熱噪聲enR1，放大器反向端輸入電壓噪聲造成的輸出噪聲電壓enoe1。其計算方法如下，在計算過程中，頻率取為1 Hz,k為波爾茲曼(1.38×10-23J/K)，T為室溫，取298 K。

enoi1=ini·RF1=1 μV；

ω取2π，則eno31=eni×8.7=34.8 μV

前置放大器總輸出電壓噪聲eno1=35.3 μV

對于0.1pA的輸入電流，輸出電壓為0.2mV，信噪比為5.7。

“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法的噪聲模型如圖5所示。與直接電阻反饋法相比，“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法增加電阻R1、R2和電容C1。在0.1 pA輸入信號的情況下，要得到與直接電阻反饋法相同的0.2 mV的輸出電壓，RF2為200 MΩ，阻值降低了10倍。系統(tǒng)的響應(yīng)時間常數(shù)τ2=200 MΩ·300 pF=0.06 s。

圖5 “T”型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法噪聲模型

在“T”型電阻網(wǎng)絡(luò)反饋法中，R1和R2的電阻熱噪聲與RF相比可以忽略，因此，輸出電壓噪聲同樣包括以下3部分。

enoi2=ini·RF2=0.1 μV；

enoe2=eni×8.35=33.4 μV

前置放大器總輸出電壓噪聲eno2==33.4 μV

對于0.1pA的輸入電流，輸出電壓為0.2mV，信噪比為6.0。

前置放大器外圍電阻阻值的精度和穩(wěn)定性也成為影響放大器精度和穩(wěn)定性的重要因素[1]。精度一般可以通過電路調(diào)試解決，穩(wěn)定性主要由溫度變化引起，最理想的解決方法是恒溫或者低溫，但是對于一般的應(yīng)用場合，很難滿足這個條件。因此，在選用電阻時，盡量選用低溫度系數(shù)的金屬膜電阻。實際的電容器可以等效為1個電容器串聯(lián)1個電阻再和1個電阻并聯(lián)，這些電阻都貢獻(xiàn)熱噪聲[4]。研究表明，電容器損耗角愈小，這些電阻上的噪聲愈小，即電容的噪聲性能愈好。所以，要選擇損耗角小的電容。目前，聚苯乙烯或聚四氟乙烯電容，損耗角非常小，而且性能穩(wěn)定。

當(dāng)然，還要采取一系列低噪聲原則，例如，電源要盡量干凈，并在供電端加入退藕電容，接地方式應(yīng)該為單點(diǎn)接地等。

1.3 主放大器和低通濾波器的設(shè)計

主放大器采用具有極低零點(diǎn)漂移的斬波放大器LTC1150。LTC1150不用外接電容，外圍電路簡單，主要特點(diǎn)如下：低噪聲1.8 μVp-p(0.1～10 Hz)，最大漂移電壓5 μV，漂移電壓的最大溫度系數(shù)為0.05 μV/℃，最小電壓增益140 dB。

為了減少元器件的使用，本文將濾波器的設(shè)計和主放大器的設(shè)計結(jié)合起來，電路圖如圖6所示。

圖6 主放大器和低通濾波器電路

輸出電壓信號V0與輸入電壓信號V1的關(guān)系為

根據(jù)輸出信號的要求，主放大器需要的放大倍數(shù)為25.5倍，此時，各參數(shù)取值如下：Rf=470 kΩ，R1=R2=10 kΩ，C1=C2=0.22 μF，各個參數(shù)帶入上式，得輸入輸出關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 低通濾波器的輸入輸出關(guān)系曲線特性

由圖7可知，輸入信號頻率為0.1～1 Hz時，該低通濾波器具有較大的增益，當(dāng)輸入信號頻率再增大時，增益迅速降低，即能夠?qū)Ω哳l噪聲起到很好的過濾作用。

2 電路試驗結(jié)果

2.1 電路靈敏度、零點(diǎn)偏移量和動態(tài)范圍測試

改變輸入電流為-0.1～-100 pA，記錄對應(yīng)的輸出電壓，其關(guān)系擬合曲線如圖8所示。

圖8 -0.1～-100 pA動態(tài)范圍測試曲線

擬合曲線方程為V=I× 50-28.4。由該擬合曲線可知，電路靈敏度為50 mV/pA，零點(diǎn)偏移量為-28.4 mV。

2.2 1 pA電流輸入穩(wěn)定度和零點(diǎn)漂移量測試

固定輸入信號為1 pA，對電路進(jìn)行1 h輸出觀測，每隔10 min讀數(shù)1次，每次讀數(shù)時間為10 s，記錄最大讀數(shù)和最小讀數(shù)，誤差棒如圖9所示。

圖9 1 A電流零點(diǎn)漂移量測試結(jié)果

由圖9可知，1 pA電流輸入時，最大輸出電壓為-74.5 mV，最小為-71.0 mV，平均值為-72.8 mV，最大誤差為±1.8 mV，故該系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移量為±1.8 mV。儀器的靈敏度為50 mV/pA，則1 pA測量精度為0.036 pA。

3 結(jié)束語

本文針對某應(yīng)用條件下的極微弱準(zhǔn)直流電流信號檢測中的噪聲和零點(diǎn)漂移問題，設(shè)計了一款檢測電路，包括前置放大器、主放大器和濾波電路。對前置放大器進(jìn)行了噪聲模型分析，確定了反饋形式和電路參數(shù)。對濾波電路進(jìn)行理論建模分析，確定了基本電路參數(shù)。實驗結(jié)果與理論分析相吻合，本文的研究方法對基于高性能運(yùn)算放大器的微弱信號測量電路的設(shè)計具有重要的參考作用。

[1] OTTHW.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù).2版.王培清,李迪,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[2] 江月松.光電技術(shù)與實驗.北京:北京理工大學(xué)出版社,2000.

[3] PARK K. H，JUNG Y G,KIM D E,et al．Development of a Beam-Profile Monitor for Cyclotron MC50.Journal of the Korean Physical Society,2007,50(4):983-987

[4] 管建明.微弱電流信號的前置放大和分析.電測與儀表，1994(3):38-39.

Circuit Design of Ultra-small DC Signals

YU Xiang-qian，CHEN Hong-fei，ZOU Hong，SHI Wei-hong，ZOU Ji-qing，ZHONG Wei-ying

(Institute of Space Physics and Applied Technology，Peking University，Beijing 100871，China)

In allusion to the problems of noise and zero drift existing in the ultra-small DC signals measurement,using theoretical analysis and numerical calculations,this subject designed a circuit consisting of a preamplifier,a main amplifier and a filter.Experiment results show that this circuit has lower noise level,higher sensitivity,wider range and lower zero fluctuate,which can meet the actual measurement requirements.The results coincide with theoretical analysis and numerical simulation,which can provide reference for research of ultra-small DC signals measurement.

preamplifier；noise analysis；AD549； LTC1150

國家自然科學(xué)基金項目(41374181)；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項資助(2012YQ03014207)

2014-09-22 收修改稿日期：2015-03-11

TP272

A

1002-1841(2015)08-0062-03

于向前(1983—)，工程師，博士研究生在讀，主要從事空間探測技術(shù)研究。E-mail:yuxiangqian@126.com