基于改進(jìn)型高精密I/V轉(zhuǎn)換電路的電流采樣單元

王卉 王琦琦 胡波

摘 要：基于I/V變換電流采樣是常用的弱電流檢測方案，其中的反饋電流放大型測量電路結(jié)構(gòu)較簡單，轉(zhuǎn)換的線性較好，電路頻率響應(yīng)特性較好，在加入有效的硬件和軟件抗干擾措施后，可以提高測量精度和穩(wěn)定性。本文首先對I/V電路進(jìn)行改進(jìn)并按下述方法改進(jìn)進(jìn)行對比分析，其次提出先模擬開關(guān)切換后I/V轉(zhuǎn)換的電流采集方案，最終得到改進(jìn)型高精密I/V轉(zhuǎn)換電路的電流采樣單元，提高了電路的測量精度。

關(guān)鍵詞：I/V轉(zhuǎn)換電路;電流采樣單元;電路設(shè)計(jì)

引言

通過對傳統(tǒng)的I/ V轉(zhuǎn)換電路定義不難看出這類I/V轉(zhuǎn)換存在著共模抑制比低、輸入阻抗低等缺點(diǎn)，在弱小信號轉(zhuǎn)換中，產(chǎn)生的誤差較大。傳統(tǒng)的電流采樣電路設(shè)計(jì)方案中，先進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，再模擬開關(guān)切換。I/V轉(zhuǎn)換中反饋電阻參數(shù)的分散性及信號放大處理電路中各通道的不均勻誤差對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。綜上所述，基于上述原因?yàn)榇诵枰O(shè)計(jì)一種高精密的I/V轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等相互抵消，提高了電路的微電流測量精度。同時提出了電流先通過模擬開關(guān)進(jìn)行切換，然后再利用精密I/V轉(zhuǎn)換電路從原理上消除先I/V轉(zhuǎn)換后模擬開關(guān)切換帶來的分散性誤差。

1 ?基本I/ V轉(zhuǎn)換電路

在對信號放大和信號處理前，需要把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，I/V轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)了信號從電流到電壓的轉(zhuǎn)換?；緦?shí)用的I/V轉(zhuǎn)換電路有以下兩種，如圖1所示，（a）為反相輸出電路，其輸出為

2 改進(jìn)型高精密I/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

2.1 ?高阻抗負(fù)反饋運(yùn)放放大法

該方法從屬性上講歸于I/V轉(zhuǎn)換的一類。其機(jī)理是依靠大電阻的反饋?zhàn)饔?，使得未知電流在流過電阻后變換成相關(guān)的電壓。它的理想的 IO 的相關(guān)性是：V0=-Ii*Rf， 開環(huán)增益 Ad并非無限大，而且，不可避免地暴露出偏置電流IB及輸入失調(diào)電壓VOS的問題。因此，I -V轉(zhuǎn)換的真實(shí)輸出是： V'O=-I1Rf+（VOS-V'O/A d）+IBR。誤差ΔVO= VOS-V'O/Ad+ IBR， 不難看出，運(yùn)放的三個變量引起的噪聲對VO存在一定程度的作用。在測量極為微弱的電流情況下，我們通常要求放大倍數(shù)Ad及反饋電阻Rf的數(shù)值足夠大。

2.2運(yùn)算放大器I-V轉(zhuǎn)換法

反饋電流積分型I-V 轉(zhuǎn)換法是于放大器內(nèi)引進(jìn)積分電容，于是在形式上和功能上實(shí)現(xiàn)了密勒積分器的定義。進(jìn)而使待測微電流信號通過電容進(jìn)行充電，變換為鋸齒式的電壓信號，最終再把電壓信號通過一定的數(shù)學(xué)運(yùn)算變換為頻率信號。它的穩(wěn)定性優(yōu)于電流放大型，同時因?yàn)榉e分器體現(xiàn)的是在特定時間內(nèi)對電流的積分，因?yàn)閷υ肼暭碍h(huán)境條件的抵抗力較強(qiáng)。根據(jù)集成運(yùn)放的虛短和虛斷原理?？傻幂斎胼敵鲫P(guān)系為：Vout=Is*R*（1+2R2/R1）R6/R4。由此，設(shè)計(jì)高精密I/V轉(zhuǎn)換電路，其電路結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

3 ?電流采樣單元方案設(shè)計(jì)

常規(guī)的電流采集方案由于采用了多個I/V轉(zhuǎn)換給系統(tǒng)帶來了各通道的分散性誤差導(dǎo)致其設(shè)計(jì)方案存在弊端?；谏鲜鲈蛱岢隽穗娏飨韧ㄟ^模擬開關(guān)進(jìn)行切換，然后再利用精密I/V轉(zhuǎn)換電路，得到相應(yīng)的電壓，此方案可從原理上消除先I/V轉(zhuǎn)換后模擬開關(guān)切換帶來的分散性誤差。減少了常規(guī)電流采集方案中各通道增益的分散性誤差又減少了電路設(shè)計(jì)的成本。先模擬開關(guān)切換后I/V轉(zhuǎn)化方案雖克服了常規(guī)方案中的較大的分散性誤差和成本過大等缺點(diǎn)。

4 ?結(jié)束語

筆者提出了一種基于改進(jìn)型高精密I/V轉(zhuǎn)換電路的電流采樣單元，綜合上述方案進(jìn)行對比分析，本文采取高精密I/V轉(zhuǎn)換電路方案。電路結(jié)構(gòu)采用對稱形式，外圍電阻采用高精密電阻，使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓和失調(diào)電流等相互抵消，提高了電路的測量精度。

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