超宽量程fA级高精密微电流信号输出电路设计研究

韩 钰，杨戴博，李 昆，李 丹，夏 源，张 虎，曾 帅，曾少立

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术国家级重点实验室，成都 610213）

0 引言

微电流通常指信号小于10-6A 的电流信号，在测量时非常容易被噪声淹没，属于微弱信号测量领域中的一个重要学科。微电流信号测量技术已被广泛应用于核电、航天、医疗、军事侦察、物理学、化学、电化学、天文学、磁学等许多领域。例如：在医疗领域，重离子放疗中用于束流位置及剖面均匀性监测的分条电离室探测器输出的信号为多路的微电流信号，其输出电流信号低至nA 量级甚至fA量级；在航天领域，探测器产生的总电离量与输出电路中累积的电荷直接有关，并且在某一段时间内所要测量的电路中的电流信号也是十分微弱的；在核动力领域，需要测量布置在堆芯或压力容器外的探测器产生的许多路微电流信号，从而实现堆芯和堆外物理状态参数的实时监测。由此可见，微电流测量设备作为高精密测量仪表，已经在多个领域广泛应用[1,2]。微电流测量装置作为高精密仪器，其测量的精度和稳定性直接关系到设备的可靠性和可用性。尤其在核动力领域，当微电流测量技术应用到安全级设备时，其测量的稳定性将关系到反应堆的安全，为此专门配备了相应的高精密微电流信号装置和仪器仪表，用于标定、制造、调试和定期维护等。目前，这类的精密仪器仪表一直被国外厂家所长期垄断（如Keithly 等），且国内该类仪表仅实现了nA 级微电流信号输出，对于pA 级甚至fA 级尚未有类似产品报道。本文设计了一种超宽量程fA 级高精密微电流信号输出电路，实现了100fA ～1uA 微电流信号的高精度稳定输出，达到了国际先进水平，打破了国外垄断，实现了精密仪器的自主可控。

图1 超宽量程fA级高精密微电流信号输出电路的总体设计方案Fig.1 Overall design scheme of ultra wide range FA level high precision micro current signal output circuit

1 设计方法

1.1 总体方案设计

本文设计的超宽量程fA 级高精密微电流信号输出电路分为控制单元、V/I（电压/电流）转换单元、电压输出单元和量程切换单元。其中，控制单元主要用于控制电压输出单元，控制单元控制电压发生单元输出高精度0V ～5V电压，同时根据设置的电流值大小，智能控制量程切换到相应的档位，从而输出恒流电源；V/I（电压/电流）转换单元是本设计方案的核心电路，其主要功能将电压信号转换为恒定的电流信号输出；电压输出单元用于输出高精度的低压电源；量程切换单元主要用于控制微电流输出4 个量程档位的切换。

1.2 V/I转换电路设计分析[3]

在放大电路中引入电流串联负反馈，可以实现电压——电流的转换。图2 为基于运算放大器的V/I 转换电路原理图，假设集成运放为理想运放，因而引入负反馈后具有“虚短”和“虚断”的特点，可得：UP=UN=0，iO=iR，即：

图2 基于运算放大器的V/I转换电路原理图Fig.2 Schematic diagram of V / I conversion circuit based on operational amplifier

iO与uI成线性关系。

在实际电路中，常需要负载电阻RL有接地端，为此产生了如图3 所示的豪兰德电流源电路。由于该电路引入了深度负反馈，可以认为集成运放两个输入端电位uN≈uP，电流iN≈iP≈0，因此在节点N 的电流方程为：

因为N点电位为：

节点P 的电流方程为：

因而P 点电位为：

因为uN≈uP，因此在R2/R1=R3/R 时，可以得到iO≈-uI/R。

即输出电流与输入电压成线性关系，输出电流随输入电压的改变而改变。同时，电路引入了深度负反馈，当负载发生变化时，电路也能保持稳定的微电流输出。

根据上述分析，在R2/R1=R3/R 时，采用16 位高精度D/A 转换器输出0V~5V，输出电流与输入电压成线性关系，可得输出电流的表达式为：

其中，D 为控制D/A 转换器的代码的十进制等效值，最小值为1。

VREFIN 是D/A 转换器的参考电压5V。

图3 V/I转换单元电路Fig.3 V / I Conversion unit circuit

根据理论计算，当R 采用10GΩ 电阻，微电流源电路的输出控制精度可达1fA。

1.3 噪声分析

“微弱信号”主要指的是被噪声淹没的信号，“微弱”是相对于噪声而言的。因此，微弱信号是一门专门抑制噪声的技术，其首要任务是提高信噪比。因为只靠放大是不能把微弱信号输出的。只有在有效抑制噪声的条件下，才能输出有用信号。本文针对微电流信号输出电路的核心关键电路和元器件进行噪声分析，从而选择合适的器件，从设计上最大程度地抑制噪声，提高输出信号的信噪比，从而实现超宽量程fA 级高精度微电流信号的输出。

1.3.1 运放噪声分析

由于运放的两个输入端并不是绝对的高阻，运放的输入端会有一定的电流流进运放，且两端流入电流不相等，同时运放还受失调电压等因素的影响，使得0 输入时的运放输出电压并不完全为0。

以图4 为例，规定运放同相输入端电位为U+，反相输入端电位为U-，从同相输入端流进的电流为IB1，从反相输入端流进的电流为IB2，则输入偏置电流IB和失调电流IOS分别为：

根据失调电流、偏置电流和失调电压的定义，可以得到：

图4 运算放大器噪声分析电路Fig.4 Operational amplifier noise analysis circuit

在根据上述两方程式解得：

其中，GN被称为噪声增益。根据上述电路噪声分析，在电路设计中首要选择失调电压、失调电流和偏置电流均比较小的运算放大器。但在实际电路设计中，噪声总是不可避免的，且当需要V/I 转换电路输出fA级微电流时，这些噪声对输出结果的影响尤为严重。所以在实际电路设计中，需要增加调零电路，以减小失调电压、失调电流和偏置电流对电路的影响。

1.3.2 电阻噪声分析

电阻的热噪声是电阻器噪声的主要成分，源于电阻中的电子随机热运动。任何电阻或导体，即使没有连接到任何信号或电源，也没有任何电流流过该电阻，其两端也会有噪声电压变化，即热噪声。电阻两端呈现的开路热噪声电压有效值Et：

式（12）中，k为波尔兹曼常数（k=1.38×10-23J/K）；T为电阻的绝对温度（K）；R 为电阻的阻值（Ω）；B 为系统的等效噪声带宽（Hz）。由式（12）可知，热噪声电压正比于R、B与T的平方根。因此，在微弱信号系统中，应使R与B尽可能地小，同时为保证电路的稳定性，电阻温度系数（TCR）需要尽可能的小。

1.4 接地屏蔽设计

由于微电流源的控制电压信号及微电流信号都十分微弱，所以任何微小的噪声信号都会对输出结果造成很大的影响。电磁场的干扰需要采用外加金属屏蔽盒的方式来屏蔽。在实际屏蔽中，除了极少数的例外，屏蔽体不可避免存在着相当多的空洞和缝隙。而这些空洞和缝隙为电磁场的穿透提供了通道，因此导致屏蔽效果降低。本方案的屏蔽措施是在PCB 沿金属屏蔽盒走一圈不带阻焊层的地线，然后将屏蔽盒与地线焊接，与核心电路形成一个密闭的腔体。

表1 微电流输出精度测试Table 1 Micro current output accuracy test

1.5 试验验证

使用Keithley 6430 对本文设计的微电流源进行了测量，测试结果见表1。表1 的测试结果表明，本文设计的fA 级微电流源达到了预定的目标，实现了100fA ～1uA 微电流信号的输出，相对误差≤±1.0%，达到了国内领先、国际先进的水平。将微电流源设置为100fA，间隔时间为1s 连续读取20 个测量值，以考察微电流源输出的短期稳定性，测试结果见表2。结果表明：微电流源的输出波动小于1fA，微电流源具有较好的稳定性。

2 结论

本文设计了一种超宽量程fA级高精密微电流信号源，实现了10-14A ～10-6A 微电流信号的高精度稳定输出。与国外同类精密仪表对比（如Keithley），其输出信号相对误差≤±1.0%，达到了同等水平，打破了国外垄断，实现了精密仪器自主可控。该技术可广泛应用于核电、航天、医疗、军事侦察、物理学、化学、电化学、天文学、磁学等领域的微电流测量设备的标定、校准、验证和维护。

表2 100fA微电流输出稳定性测试Table 2 100fA Micro current output stability test