微电流放大技术研究

尹小龙 杜继友

【摘 要】为了在现有器件、材料以及工艺基础上解决微电流放大的关键技术，研制出高精度快响应的微电流放大器。研究内容包括：高性能电流-电压转换电路研究、高性能电压放大级的研究、信号预处理电路（滤波电路）、接地和电磁屏蔽技术的研究。样机的电流测量范围为103V/A～1011V/A，测量精度、响应时间及噪声指标都有显著提升。研究结果基本解决了制约微电流放大的关键技术，微电流放大器的主要技术指标达到或者接近了预期水平。

【关键词】微电流 放大 高精度 快响应

微电流放大器在核反应堆工程和实验中具有广泛的应用，例如，反应堆核功率测量、中子注量率倍增周期测量、模拟及数字化反应性仪的中子信号测量等。同时高精度快响应的微电流放大器在其它研究及工业领域，例如电化学电流测量、生物电流测量、压电材料测试、介电吸收及极化研究、扫描隧道显微镜（STM）等也有很广泛的应用。

微电流放大器在工业和科研领域的应用日益广泛，并对其技术参数提出了更高的要求。为了改善微电流放大器的性能，国外长期以来进行了大量的研究开发工作，主要有以下几个方面：

（1）着力开发性能更优良的电流放大器件同时不断改进与电流放大器件配合使用的超低噪声、超高稳定性的电压放大器件和超低泄漏电流模拟开关，以及反馈电阻的有效值和稳定性参数也逐步得到改进；

（2）着力开发性能更优良的专用绝缘材料；

（3）针对现有器件的特点，研究能够针对其性能扬长避短的电路，既优化电流放大器件、电压放大器件和高阻之间的组合，已达到优化整体性能的目的；

（4）不断改进结构和制作工艺，寻求更有效的电磁屏蔽、更合理的接地技术和更适宜的PCB结构等。

本文针对在目前现有器件、材料和工艺条件下，对制约微电流放大器关键技术指标的关键问题进行了解决或合理回避，提高了微电流放大器的性能指标，同时对微电流放大器样机的结构、工作原理、技术指标以及应用进行了详细介绍。

1 微电流放大测量原理

微电流测量原理采用电压电流转换原理，最基本的电流电压转换原理如图1所示。

假定运算放大器是理想运放，利用“虚短虚断”的概念，可以得出，

输出电压Vo与测量电流I成线性比例关系，比例系数为Rf，因此只要适当选择Rf就可以得到所需的放大倍数。但是在实际应用过程中，并没有完全理想的运算放大器，由于集成电路制造技术以及工艺的影响，必然存在诸如失调电压，偏置电流、漏电流以及开环增益的影响，因此高性能反馈式电流-电压转换电路是微电流放大技术研究的关键问题之一。同时高质量电压放大单元、信号预处理单元以及良好的接地和屏蔽也是微电流放大技术研究中需要解决的关键问题。

微电流放大器样机作为一个能够独立工作的电子仪器，其中需要实现的功能主要由电流-电压转换电路、电压放大电路、控制单元（采样电路、换档电路、显示电路）、滤波电路、低压电源组成，其原理框图如图2所示。

2 高性能反馈式电流-电压转换电路

反馈式电流-电压转换电路，或者称为互阻抗放大器，它通过跨导-VO/-Ii表征其增益，具有极低的输入阻抗（理想状况下为0），增益误差小等特点。反馈式电流-电压转换电路的优点还有：无共模误差、输入阻抗低（仅取决于限流电阻）、灵敏度受温度影响很小。

在微电流放大技术的研究中，反馈电路确定后，电流-电压转换/放大器件的选择就成为影响到最终性能指标的另一个重要因素，在这里采用对不同档位选用最适宜的不同器件的方法来提高综合性能。

在本方案的实施过程中，对于电流-电压转换级，根据不同档位的不同应用要求，采用了不同的电流-电压转换器件。

AD549的反馈式电流-电压转换电路应用在高档位（10-9档～10-11档），实际电路如图3所示。AD549具有超低偏置电流（60fA）、低失调电压（0.3mV）、低失调漂移（5μV/℃）、高频率响应（1MHz）、高输入阻抗（1013Ω）等优点。在实际应用过程中，在AD549的输出端加入一个电位器微调反馈量，是为了补偿高阻（反馈电阻为1010Ω）本身的误差对增益的影响，在此电路条件下，高阻Rf需要选用负差电阻。

AD711的反馈式电流-电压转换电路应用在低档位（10-3档～10-8档），实际电路如图1所示。AD711的偏置电流虽然比AD549高一些（15pA），但足以胜任电流≥10-8A档位的电流-电压变换要求；而AD711的高频率响应（4MHz）可大大提高响应速度；AD711同时具有低失调电压（0.3mV）和失调漂移（7μV/℃），且价格远低于AD549。因此我们选用AD711作为10-3档～10-8档的电流-电压转换器件。

3 信号预处理

在电流-电压转换之后到最终信号输出之前，我们将之统称为信号预处理，适当的信号预处理功能能明显改进微电流放大器的整体性能和与应用相关的调控灵活性。

如果能有低噪声、低漂移、良好的动态特性和稳定性的电压放大级相配合，将允许降低电流-电压转换电路的反馈电阻的阻值，从而避开GΩ级高阻带来的一系列技术和工艺问题。

在微电流放大技术的研究过程中，电压放大级在与电流-电压转换电路的配合过程中，必须同时考虑到零点和本底噪声的问题，因为信号在被电压放大级放大的同时，零点和本底噪声也被电压放大级放大，因此在考虑电压放大级的放大倍数时，应该考虑电压放大级合适的放大倍数与电流-电压 转换电路相匹配，以达到微电流放大器的综合性能优化。

信号预处理采用外挂式五阶低通滤波器LTC1062，实际电路如图4所示。

与常用的的运算放大器阻容式滤波（Keithley的428微电流放大器就采用这种滤波电路）相比，LTC1062对直流信号是直通的，因此不会对直流信号引入附加误差，特别适用于叠加在直流信号上的噪声信号的滤波。另外，这种滤波器切割频率可以通过其内部或外部的时钟频率方便地加以控制。对于不同档位对信号预处理的不同要求下可以采用不同的滤波参数。

4 接地和电磁屏蔽

由于微电流放大器最小测量范围达到10-11A，极大的增益使得即使微小的寄生反馈（不论是通过器件间的连线还是电磁辐射）都可能引起电路的不稳定；同时任何微小的干扰都会在放大器的输出端造成很可观的噪声。

可见外界电磁干扰和电路内部的寄生干扰对微电流放大器的性能具有严重影响，特别是噪声特性、稳定性和可靠性。这一点也是微电流放大技术研究的难点之一。

为了提高抗外界电磁干扰和尽可能消除电路内部的寄生干扰，主要采取了以下措施：

（1）在电路设计中，各单元之间采用合理的阻抗匹配；（2）在PCB板设计中采用手工布线，以保持走线和接地合理，最大程度减小有害的寄生耦合；（3）对于高灵敏器件和单元（如电流-电压变换器）以及具有辐射干扰信号的单元（如LTC1062和单片机等）采用有效的电磁屏蔽；（4）数字信号地和模拟信号地分开，且模拟信号采用“一点接地方式。在研究过程中我们还发现，开关电源的直流输出中的寄生高频信号很难消除，而且会对测量结果产生比较大的影响。因此最后决定电流放大器的电源选用高质量的模拟电源，这样做虽然会增加一点整机重量，但为了提高整机性能还是必要的。

5 性能指标测试

对微电流放大器的样机进行了性能指标的测试，测试内容包括：零点测试、上升时间测试、噪声测试以及测量精度测试，测试结果见表1。

6 结语

根据对微电流放大关键技术的研究结果，制作了微电流放大器样机，并对样机的技术指标进行了测试，微电流放大技术的主要技术指标已经接近或者达到预期的水平，但某些方面还有进一步改进的空间，需要在今后的工作中继续努力提高。对于制约微电流放大器关键技术指标的“瓶颈”问题已经有了对应的解决方法。微电流放大技术研究，为高技术指标的微电流放大器的制作奠定了技术基础。同时该项研究的成果已经成功应用到了pA级电流的测量。

参考文献：

[1]Low Level Measurements Keithley.