一种pA级高性能微电流检测系统的设计*

李　辉　刘　鲲

(安徽师范大学物理与电子信息学院，芜湖 241000)

0　引言

微电流是指小于10-5A的电流。微电流检测属于微弱信号检测的一个分支，是一门针对噪声的技术，它注重的是如何抑制噪声和提高信噪比。该技术在侦察、电化学、生物医学、天文学和地学等许多领域得到了广泛的应用；是发展高新技术，探索自然规律的重要手段，对推动相关领域的科研具有重要的意义[1]。

本文将采用基于超低偏置电流运放的二级放大调理电路，辅以Guards环保护与输入电缆屏蔽电容归环技术，再配合超高分辨率ADC器件，设计一种在较大的测量范围内具有良好的线性，同时分辨率较高的pA级通用弱电流检测系统。

1　总体设计

整个弱电流检测系统的结构如图1所示，pA级的弱电流信号首先利用极低偏置运放LMP7721作I/V转换，然后由低输入电流运放LMC6001放大到适宜AD转换的电平；最后经高精度ADC器件ADS1211与MCU完成数据采集与处理。实测结果既可由系统自带的LCD显示，或通过串口等通信接口在上位机描绘实时的电流曲线。

图1　弱电流检测系统原理图

1.1　放大电路设计

I/V转换与二级放大电路如图2所示。其中I/V转换与放大电路是弱电流检测系统的极其重要的核心部分，其转换增益和噪声性能直接决定待测弱信号在数据采集时的幅度和信噪比，从而直接影响检测的精度和分辨力。I/V转换采用NI公司的极低偏置运放LMP7721，该运放具有不超过20fA的偏置电流和26μV的偏置电压，且温度特性良好(<1.5μV/°C)；而不超过2mA的额定电源电流使其适用于便携式应用。目前LMP7721在光电、生化检测等弱信号检测领域得到了广泛的应用[2]。

为了获得很大的转换增益，反馈电阻应具有很大的阻值(GΩ量级)。而超高阻不仅具有制作成本高昂，温湿度系数大等缺点；而且超高电阻往往分布电容大，造成很长的响应与测试等待时间[3]。此处第一级的I/V转换电路采用T型电阻网络，可以大大降低反馈电阻的阻值[4]，输出电压Uo满足：

其中Ii为输入的pA级弱电流，通过合理选择T型网络的阻值，可将pA级电流转换成mV级电压。

待测弱电流由屏蔽电缆输入，通常屏蔽层接地，这样虽然可以保护弱信号不受外界电磁场的干扰，但屏蔽电缆的芯线与屏蔽层之间不可避免的存在分布电阻和电容。该分布电阻可能接近放大器的输入电阻，而分布电容往往可以大于放大器的输入电容；如果屏蔽电缆的分布电阻和电容与地相连，在弱信号源内阻很大时将对微弱信号的检测带来不利的影响。为了避免这种影响，可以采用屏蔽电缆归环技术：将芯线传输的信号1:1放大后驱动屏蔽电缆的屏蔽层，如图2所示。这就意味着屏蔽层接到一个低内阻的电压源上，此时屏蔽电缆抗干扰的效果不变，但由于芯线上的电压Ui等于屏蔽层上的电压Uo，电缆分布电阻RL和电容CL中的电流为0，相当于RL和CL不存在，不再对屏蔽电缆芯线上的弱信号产生影响[4]。

图2　I/V转换与二级放大

由于输入电流太微弱(pA级)，输入端的漏电保护就格外重要。由于油污、潮湿等原因，PCB板的电阻率下降，板上其它位置与输入端之间的电位差就可能产生漏电流，而漏电流在很多弱信号检测的应用中是不可忽略的[5]。为了抑制漏电流，可以采用Guarding方法，其基本原理就是：在敏感引脚外围设置保护环，且保护环的偏置电压与敏感引脚相同，这样漏电流就会通过保护环流向模拟地，因而不会对输入产生干扰。由于输入端采用反相放大模式，所以可以将保护环连接到LMP7721的同相输入引脚(VIN+)，如图2所示[6]，这将使保护环偏置为运放的基准电压(如VDD/2或地)；而且LMP7721的管脚封装将同相反相输入端都置于左侧，这使得保护环很容易设计。

第二级放大使用NI公司的低输入电流运放LMC6001，其最大电流和输出偏置分别为25fA和350μV，能满足mV级电压放大的需要。为了补偿运放的输入端电容，可以在反馈电阻Rf的两端添加反馈电容Cf，且满足[7]：

由于输入电容Cin往往不可确知，所以可以通过实验对Cf进行微调以获得较好的响应特性。

1.2　高分辨率数据采集电路

数据采集之前为消除工频干扰的影响，需要在二级运放输出端和A/D转换器之间加入双T型50Hz带阻滤波器将这个主要干扰成分滤除，如图3所示，通过调节第一级运放的可变电阻，可得到较好的50Hz限波特性，如图4所示。

图3　数据采集模块

图4　50Hz滤波器限波特性

设计高精度信号采集系统，必须对待测信号进行高分辨率的模数转换(ADC)，本文选用BB公司的24bit高精度ADC器件ADS1211。ADS1211为Delta-Sigma型ADC，1000Hz采样率以内拥有20位以上的有效分辨率；片内可编程放大器提供1～16倍的增益，能够满足不同量程的需要；内置三阶数字滤波器提供抗混叠滤波功能，且外部控制器可通过设置片内寄存器进行多种校准[8]。当输入量程为5V时，采样分辨率理论值达到5000/220≈0.005mV。ADS1211的配置电路如图3所示。其中SDOUT为转换数据输出，SDIO为配置参数的输入，SCLK为串行时钟，可以方便的与MCU的串口进行通信。

在布线时为了避免数字电源的噪声对模拟部分的干扰，最好采用双电源；必须采用单电源时，可在模拟与数字供电端之间接入10Ω电阻，与去耦电容一起起到滤波作用。同样的，模拟地和数字地也应该分别铺设，单点连接。

1.3　电源与布线

系统的电源噪声来源于供电电源、电源转换芯片以及数字电源对模拟电源的干扰。因此，除了选用低噪声的电源转换器件与干电池电源外，应尽可能对模拟和数字部分单独供电，如必须采用一个电源，则应将模拟和数字供电端之间利用感性磁珠加以隔离[9]。

影响系统噪声的另一个主要因素是电路板的布局布线和材料工艺。模拟和数字电路应分开布局，对应的地层也应分开铺设，单点连接；电源线应有足够的宽度以保证较低的分布电阻和电感；电阻和电容应选用噪声低的金属膜电阻和钽电容，而电路板需采用高绝缘介质的铜箔板，如CEM-3等，且安装完成后需用无水乙醇清洁并保持干燥[10]。

2　实验测试

为了检验系统的弱电流检测能力，首先进行小量程电流检测实验(0～20pA)，然后进行大量程电流检测(0～2400pA)，结果分别如图5和图6所示。图中可看出：在大小量程之下检测系统都具有良好的线性；在小量程检测时，最小可检测电流为2pA，分辨率优于1pA，达到了预期的设计要求。

图5　小量程电流检测

图6　大量程电流检测

3　结论

实现pA级的弱电流检测，关键在于最大限度的减小检测系统引入的干扰和杂散电流，同时提高AD转换的分辨率。本文采用基于低偏置电流运放LMP7721的二级放大调理电路，辅以Guards环保护与屏蔽电缆归环技术，再配合后端的超高分辨率ADC器件ADS1211，设计了一种在较大的测量范围内具有良好性能的pA级弱电流检测系统。系统将数字和模拟部分分开布局与铺地，同时隔离数字电源对模拟电源的干扰。实验表明系统在大小量程都具有良好的线性；在小量程检测时，最小可检测电流为2pA，分辨率优于1pA，达到了预期要求。

[1]王卫勋.微电流检测方法的研究[D].西安理工大学硕士论文，2007

[2]National Semiconductor Corporation.LMP7721 Multi-Function Evaluation Board Users’Guide[R].http://www.national.com，2010

[3]松井彦邦(日)著，邓学译.OP放大器应用技巧100例[M].北京：科学出版社，2006

[4]王立新，傅崇岗.PA级微电流测量技术研究[J].仪表技术，1999，28(4)

[5]郑建明，黄利华.电路漏电流形成及预防[J].航天制造技术，2006(4)

[6]Microchip Technology Inc.MCP6001/2/4，1MHz Low Power Operational Amplifier[R].http://www.datasheetcatalog.com，2005

[7]National Semiconductor Corporation.LMC662 CMOS Dual Operational Amplifier[R].www.national.com，2003

[8]Burr-Brown Corporation.24-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER ADS1211[R].http://www.burr-brown.com，2007

[9]John Ardizzoni.A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout[R].http://www.analog.com/analogdialogue，2005

[10]黄书伟，卢申林，钱毓清.印制电路板的可靠性设计[M].北京：国防工业出版社，2004