直流微納電流計(jì)的設(shè)計(jì)與制作

肖索源

（西安交通大學(xué) 物理學(xué)院，陜西西安，710049）

0 引言

在材料測試、傳感器、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科研研究與工程應(yīng)用中，微電流的測量有其重要地位[1～3]。尤其近年來，物聯(lián)網(wǎng)的興起，超低功耗超低電流的測量需求與技術(shù)探討日趨增多[4～10]，普通的數(shù)字萬用表一般測量不了納安級別的電流，而數(shù)字源表或者高精度的臺(tái)式萬用表一般較貴，不便普及。本文介紹一款低成本直流微納電流計(jì)的設(shè)計(jì)與制作方法。實(shí)際測試表明，該直流微納電流計(jì)測量精度可以達(dá)到1nA。

1 測量原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 測量原理

測量直流微弱電流一種常用的方法是利用傳感器將電流信號變換為直流電壓信號，然后通過直流電壓的數(shù)字化測量值計(jì)算獲得直流微弱電流的測量值[4～6]。傳感器通?？梢圆捎靡粋€(gè)高精度的采樣電阻來完成。由歐姆定律可知：

式(1)中直流電壓V 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 獲得數(shù)字化測量值，然后通過此公式計(jì)算就得到了微電流的測量值。

■1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流微納電流計(jì)主要包括I/V 變換和直流電壓測量兩個(gè)部分。對于I/V 變換，我們使用了跨阻放大器完成I/V 變換。對于直流電壓測量，我們直接采用高精度數(shù)字電壓表頭進(jìn)行直流電壓的數(shù)字化測量與顯示。同時(shí)為了方便測量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)和便攜式使用，我們還輔助設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)恒流源和電池供電單元。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 為直流微納電流計(jì)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由信號調(diào)理模塊、A/D 及顯示模塊、電源模塊以及可調(diào)恒流源模塊4 個(gè)部分構(gòu)成。信號調(diào)理模塊是系統(tǒng)的核心，它將待測的電流信號調(diào)理成A/D 采集所能接受的電壓信號并通過顯示器顯示測量結(jié)果?？烧{(diào)恒流源模塊用于在對設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)提供信號源。電源模塊主要將電池供電的電壓轉(zhuǎn)換為各模塊所需的工作電壓或參考電壓。

2 電路設(shè)計(jì)與仿真

■2.1 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真

圖2 為采用Multisim 設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路原理圖及其仿真結(jié)果的展示。圖2 的上半部分為±5V 雙電源的穩(wěn)壓電路，采用了兩片LDO 芯片AMS1117-5（U4、U5）來實(shí)現(xiàn)±5V電壓的輸出。圖2 中探針PR1 和PR2 的仿真結(jié)果（黃色方框）顯示分別為5.00V 和-5.00V，達(dá)到設(shè)計(jì)所需。

圖2 的下半部分電路采用了兩顆LM336BZ-2.5 穩(wěn)壓管（U6、U7）實(shí)現(xiàn)±2.5V 的雙精密參考電壓源。[11]該輸出用作恒流源和校準(zhǔn)電路的參考電壓源。

■2.2 恒流源電路的設(shè)計(jì)

圖3 為通過電位器自由調(diào)節(jié)輸出電流大小的恒流源電源電路圖。R10 抽頭處的電壓即正比與輸出的電流，J2 是檔位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電路±1μA 與±100nA 兩個(gè)檔位的切換。

圖3 可調(diào)恒流源電路原理圖

圖3 中，U1B 作為電壓跟隨器，所以U1B 的輸出電壓為其輸入電壓Ub，所以U1A 的同相輸入電壓U+ 等于電位器抽頭得到的輸入電壓Ui 與Ub 的平均值，即U+=(Ui+Ub)/2。由運(yùn)放“虛短”可知U+=U-，所以得到U1A 的輸出電壓Ua=2U-=2U+=Ui+Ub，故可得到流經(jīng)R4的電流為：

由(2)式可見流經(jīng)R4 的電流僅由Ui 和R4 確定，R4固定后與Ui 成正比。而由運(yùn)放的高輸入阻抗特性可知，I 就為輸出的電流，并由Ui 線性調(diào)節(jié)其大?。ㄕ{(diào)節(jié)電位器R10），這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可調(diào)節(jié)的恒流源。此處運(yùn)放選了一顆德州儀器的高精密低功耗雙運(yùn)放OPA2277[12]。

■2.3 信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與仿真

圖4 為本裝置的核心部分，對微電流輸入信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出為大的電壓信號的電路原理圖。開關(guān)J4 用于控制恒流源電路的輸出連接到測量電路的輸入的通斷，通上則方便直接測量恒流源的輸出；J3 為SMA 輸入接口，用于從板外接入待測信號。

圖4 信號調(diào)理電路原理圖

信號調(diào)理電路由前級跨阻放大電路、中間的RC 低通濾波器和后級校準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電路三級構(gòu)成。待測電流首先通入左側(cè)的運(yùn)算放大器U2 搭建的跨阻放大電路，通過1MΩ 的采樣電阻R6 產(chǎn)生正比于待測電流的電壓信號，然后經(jīng)過低通濾波器和反向加法放大器調(diào)理后，其輸出電壓與待測電流的關(guān)系為1mV/nA。此處選擇了Intersil 公司的低失調(diào)斬波穩(wěn)零高精度運(yùn)算放大器ICL7650[13]。

在圖4 的J3 處我們可以加一電流源進(jìn)行激勵(lì)，通過直流掃描仿真獲得其仿真結(jié)果如圖5 所示。其中圖5(a)是pA 級微小信號的仿真情況，圖5(b)是裝置設(shè)計(jì)的全量程(-2μA ～ 2μA)信號的仿真情況?？梢钥闯鲈撾娐酚蟹浅：玫木€性度，數(shù)字化測量后可以不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。

圖5 信號調(diào)理電路的直流掃描仿真結(jié)果

■2.4 全裝置電路原理圖

圖6 為直流微電流表電路板上完整的電路原理圖，使用NI Multisim 14.0 繪制。系統(tǒng)采用雙9V 層疊電池供電，J5、J6 為連接電池的接口；J8 為連接電壓表模塊的接口。J1、J3 可以用于接出恒流源的輸出和接入待測的電流。

圖6 全裝置電路原理圖

3 測量裝置的制作與測試

■3.1 裝置的制作與校準(zhǔn)

使用NI Ultiboard 14.0設(shè)計(jì)的PCB版圖如圖7所示。使用了1.6mm 的雙層板，尺 寸 約 為96mm×72mm，線寬約為1mm，四角有固定用的定位孔。

圖7 直流微電流表的PCB 設(shè)計(jì)版圖

圖8 給出了一張電路板焊接裝配后正常工作時(shí)的實(shí)物照片。

圖8 直流微電流表的實(shí)物照片

直流微電流表使用前需要校準(zhǔn)。裝置電路板上有兩個(gè)用于校準(zhǔn)時(shí)調(diào)節(jié)的電位器。其中一個(gè)調(diào)節(jié)通過加法器與待測信號相加的恒定電壓信號的大小，用于抵消輸出的直流偏置；另一個(gè)調(diào)節(jié)同相放大器的放大倍數(shù)，用于確保輸出的放大比例和真實(shí)電流信號一致。我們采用了泰克2450 數(shù)字源表來對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。該源表在1μA 量程模式下的輸出電流源分辨率為50pA，測量分辨率為1pA，遠(yuǎn)超我們微納電流計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

■3.2 裝置的測試與精度

表1 是將我們設(shè)計(jì)的微納電流計(jì)與泰克2450 數(shù)字源表的進(jìn)行對比測試的數(shù)據(jù)表。

表1 微納電流計(jì)與泰克數(shù)字源表的對比測試數(shù)據(jù)表

表1 的讀數(shù)欄是直流微納電流計(jì)的讀數(shù)，誤差是電流計(jì)讀數(shù)與數(shù)字源表的輸出值之間的誤差量。從表1 測試結(jié)果可以知道，直流微電流表的整體誤差基本控制在0.03%±0.4nA 之內(nèi)。

4 總結(jié)

本文介紹了一款低成本的直流微電流表的設(shè)計(jì)與制作過程。該電流表采用高精度低噪聲的大采樣電阻和斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了跨阻放大器電路設(shè)計(jì)，避免了共模輸入干擾。測量系統(tǒng)具有高線性度，采用了工業(yè)數(shù)字電壓顯示表頭顯示結(jié)果，簡化設(shè)計(jì)的同時(shí)也大幅提高了穩(wěn)定性與可靠度。測試結(jié)果表明該裝置達(dá)到納安級的電流測量精度。