超寬量程fA級高精密微電流信號輸出電路設計研究

韓 鈺，楊戴博，李 昆，李 丹，夏 源，張 虎，曾 帥，曾少立

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術國家級重點實驗室，成都 610213）

0 引言

微電流通常指信號小于10-6A 的電流信號，在測量時非常容易被噪聲淹沒，屬于微弱信號測量領域中的一個重要學科。微電流信號測量技術已被廣泛應用于核電、航天、醫(yī)療、軍事偵察、物理學、化學、電化學、天文學、磁學等許多領域。例如：在醫(yī)療領域，重離子放療中用于束流位置及剖面均勻性監(jiān)測的分條電離室探測器輸出的信號為多路的微電流信號，其輸出電流信號低至nA 量級甚至fA量級；在航天領域，探測器產(chǎn)生的總電離量與輸出電路中累積的電荷直接有關，并且在某一段時間內所要測量的電路中的電流信號也是十分微弱的；在核動力領域，需要測量布置在堆芯或壓力容器外的探測器產(chǎn)生的許多路微電流信號，從而實現(xiàn)堆芯和堆外物理狀態(tài)參數(shù)的實時監(jiān)測。由此可見，微電流測量設備作為高精密測量儀表，已經(jīng)在多個領域廣泛應用[1,2]。微電流測量裝置作為高精密儀器，其測量的精度和穩(wěn)定性直接關系到設備的可靠性和可用性。尤其在核動力領域，當微電流測量技術應用到安全級設備時，其測量的穩(wěn)定性將關系到反應堆的安全，為此專門配備了相應的高精密微電流信號裝置和儀器儀表，用于標定、制造、調試和定期維護等。目前，這類的精密儀器儀表一直被國外廠家所長期壟斷（如Keithly 等），且國內該類儀表僅實現(xiàn)了nA 級微電流信號輸出，對于pA 級甚至fA 級尚未有類似產(chǎn)品報道。本文設計了一種超寬量程fA 級高精密微電流信號輸出電路，實現(xiàn)了100fA ～1uA 微電流信號的高精度穩(wěn)定輸出，達到了國際先進水平，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了精密儀器的自主可控。

圖1 超寬量程fA級高精密微電流信號輸出電路的總體設計方案Fig.1 Overall design scheme of ultra wide range FA level high precision micro current signal output circuit

1 設計方法

1.1 總體方案設計

本文設計的超寬量程fA 級高精密微電流信號輸出電路分為控制單元、V/I（電壓/電流）轉換單元、電壓輸出單元和量程切換單元。其中，控制單元主要用于控制電壓輸出單元，控制單元控制電壓發(fā)生單元輸出高精度0V ～5V電壓，同時根據(jù)設置的電流值大小，智能控制量程切換到相應的檔位，從而輸出恒流電源；V/I（電壓/電流）轉換單元是本設計方案的核心電路，其主要功能將電壓信號轉換為恒定的電流信號輸出；電壓輸出單元用于輸出高精度的低壓電源；量程切換單元主要用于控制微電流輸出4 個量程檔位的切換。

1.2 V/I轉換電路設計分析[3]

在放大電路中引入電流串聯(lián)負反饋，可以實現(xiàn)電壓——電流的轉換。圖2 為基于運算放大器的V/I 轉換電路原理圖，假設集成運放為理想運放，因而引入負反饋后具有“虛短”和“虛斷”的特點，可得：UP=UN=0，iO=iR，即：

圖2 基于運算放大器的V/I轉換電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of V / I conversion circuit based on operational amplifier

iO與uI成線性關系。

在實際電路中，常需要負載電阻RL有接地端，為此產(chǎn)生了如圖3 所示的豪蘭德電流源電路。由于該電路引入了深度負反饋，可以認為集成運放兩個輸入端電位uN≈uP，電流iN≈iP≈0，因此在節(jié)點N 的電流方程為：

因為N點電位為：

節(jié)點P 的電流方程為：

因而P 點電位為：

因為uN≈uP，因此在R2/R1=R3/R 時，可以得到iO≈-uI/R。

即輸出電流與輸入電壓成線性關系，輸出電流隨輸入電壓的改變而改變。同時，電路引入了深度負反饋，當負載發(fā)生變化時，電路也能保持穩(wěn)定的微電流輸出。

根據(jù)上述分析，在R2/R1=R3/R 時，采用16 位高精度D/A 轉換器輸出0V~5V，輸出電流與輸入電壓成線性關系，可得輸出電流的表達式為：

其中，D 為控制D/A 轉換器的代碼的十進制等效值，最小值為1。

VREFIN 是D/A 轉換器的參考電壓5V。

圖3 V/I轉換單元電路Fig.3 V / I Conversion unit circuit

根據(jù)理論計算，當R 采用10GΩ 電阻，微電流源電路的輸出控制精度可達1fA。

1.3 噪聲分析

“微弱信號”主要指的是被噪聲淹沒的信號，“微弱”是相對于噪聲而言的。因此，微弱信號是一門專門抑制噪聲的技術，其首要任務是提高信噪比。因為只靠放大是不能把微弱信號輸出的。只有在有效抑制噪聲的條件下，才能輸出有用信號。本文針對微電流信號輸出電路的核心關鍵電路和元器件進行噪聲分析，從而選擇合適的器件，從設計上最大程度地抑制噪聲，提高輸出信號的信噪比，從而實現(xiàn)超寬量程fA 級高精度微電流信號的輸出。

1.3.1 運放噪聲分析

由于運放的兩個輸入端并不是絕對的高阻，運放的輸入端會有一定的電流流進運放，且兩端流入電流不相等，同時運放還受失調電壓等因素的影響，使得0 輸入時的運放輸出電壓并不完全為0。

以圖4 為例，規(guī)定運放同相輸入端電位為U+，反相輸入端電位為U-，從同相輸入端流進的電流為IB1，從反相輸入端流進的電流為IB2，則輸入偏置電流IB和失調電流IOS分別為：

根據(jù)失調電流、偏置電流和失調電壓的定義，可以得到：

圖4 運算放大器噪聲分析電路Fig.4 Operational amplifier noise analysis circuit

在根據(jù)上述兩方程式解得：

其中，GN被稱為噪聲增益。根據(jù)上述電路噪聲分析，在電路設計中首要選擇失調電壓、失調電流和偏置電流均比較小的運算放大器。但在實際電路設計中，噪聲總是不可避免的，且當需要V/I 轉換電路輸出fA級微電流時，這些噪聲對輸出結果的影響尤為嚴重。所以在實際電路設計中，需要增加調零電路，以減小失調電壓、失調電流和偏置電流對電路的影響。

1.3.2 電阻噪聲分析

電阻的熱噪聲是電阻器噪聲的主要成分，源于電阻中的電子隨機熱運動。任何電阻或導體，即使沒有連接到任何信號或電源，也沒有任何電流流過該電阻，其兩端也會有噪聲電壓變化，即熱噪聲。電阻兩端呈現(xiàn)的開路熱噪聲電壓有效值Et：

式（12）中，k為波爾茲曼常數(shù)（k=1.38×10-23J/K）；T為電阻的絕對溫度（K）；R 為電阻的阻值（Ω）；B 為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬（Hz）。由式（12）可知，熱噪聲電壓正比于R、B與T的平方根。因此，在微弱信號系統(tǒng)中，應使R與B盡可能地小，同時為保證電路的穩(wěn)定性，電阻溫度系數(shù)（TCR）需要盡可能的小。

1.4 接地屏蔽設計

由于微電流源的控制電壓信號及微電流信號都十分微弱，所以任何微小的噪聲信號都會對輸出結果造成很大的影響。電磁場的干擾需要采用外加金屬屏蔽盒的方式來屏蔽。在實際屏蔽中，除了極少數(shù)的例外，屏蔽體不可避免存在著相當多的空洞和縫隙。而這些空洞和縫隙為電磁場的穿透提供了通道，因此導致屏蔽效果降低。本方案的屏蔽措施是在PCB 沿金屬屏蔽盒走一圈不帶阻焊層的地線，然后將屏蔽盒與地線焊接，與核心電路形成一個密閉的腔體。

表1 微電流輸出精度測試Table 1 Micro current output accuracy test

1.5 試驗驗證

使用Keithley 6430 對本文設計的微電流源進行了測量，測試結果見表1。表1 的測試結果表明，本文設計的fA 級微電流源達到了預定的目標，實現(xiàn)了100fA ～1uA 微電流信號的輸出，相對誤差≤±1.0%，達到了國內領先、國際先進的水平。將微電流源設置為100fA，間隔時間為1s 連續(xù)讀取20 個測量值，以考察微電流源輸出的短期穩(wěn)定性，測試結果見表2。結果表明：微電流源的輸出波動小于1fA，微電流源具有較好的穩(wěn)定性。

2 結論

本文設計了一種超寬量程fA級高精密微電流信號源，實現(xiàn)了10-14A ～10-6A 微電流信號的高精度穩(wěn)定輸出。與國外同類精密儀表對比（如Keithley），其輸出信號相對誤差≤±1.0%，達到了同等水平，打破了國外壟斷，實現(xiàn)了精密儀器自主可控。該技術可廣泛應用于核電、航天、醫(yī)療、軍事偵察、物理學、化學、電化學、天文學、磁學等領域的微電流測量設備的標定、校準、驗證和維護。

表2 100fA微電流輸出穩(wěn)定性測試Table 2 100fA Micro current output stability test