基于改进型高精密I/V转换电路的电流采样单元

王卉 王琦琦 胡波

摘 要：基于I/V变换电流采样是常用的弱电流检测方案，其中的反馈电流放大型测量电路结构较简单，转换的线性较好，电路频率响应特性较好，在加入有效的硬件和软件抗干扰措施后，可以提高测量精度和稳定性。本文首先对I/V电路进行改进并按下述方法改进进行对比分析，其次提出先模拟开关切换后I/V转换的电流采集方案，最终得到改进型高精密I/V转换电路的电流采样单元，提高了电路的测量精度。

关键词：I/V转换电路;电流采样单元;电路设计

引言

通过对传统的I/ V转换电路定义不难看出这类I/V转换存在着共模抑制比低、输入阻抗低等缺点，在弱小信号转换中，产生的误差较大。传统的电流采样电路设计方案中，先进行I/V转换，再模拟开关切换。I/V转换中反馈电阻参数的分散性及信号放大处理电路中各通道的不均匀误差对测量结果的准确性有很大影响。综上所述，基于上述原因为此需要设计一种高精密的I/V转换电路结构使得漂移、噪声、失调电压和失调电流等相互抵消，提高了电路的微电流测量精度。同时提出了电流先通过模拟开关进行切换，然后再利用精密I/V转换电路从原理上消除先I/V转换后模拟开关切换带来的分散性误差。

1  基本I/ V转换电路

在对信号放大和信号处理前，需要把电流信号转换成电压信号，I/V转换电路实现了信号从电流到电压的转换。基本实用的I/V转换电路有以下两种，如图1所示，（a）为反相输出电路，其输出为

2 改进型高精密I/V转换电路设计

2.1  高阻抗负反馈运放放大法

该方法从属性上讲归于I/V转换的一类。其机理是依靠大电阻的反馈作用，使得未知电流在流过电阻后变换成相关的电压。它的理想的 IO 的相关性是：V0=-Ii*Rf， 开环增益 Ad并非无限大，而且，不可避免地暴露出偏置电流IB及输入失调电压VOS的问题。因此，I -V转换的真实输出是： V'O=-I1Rf+（VOS-V'O/A d）+IBR。誤差ΔVO= VOS-V'O/Ad+ IBR， 不难看出，运放的三个变量引起的噪声对VO存在一定程度的作用。在测量极为微弱的电流情况下，我们通常要求放大倍数Ad及反馈电阻Rf的数值足够大。

2.2运算放大器I-V转换法

反馈电流积分型I-V 转换法是于放大器内引进积分电容，于是在形式上和功能上实现了密勒积分器的定义。进而使待测微电流信号通过电容进行充电，变换为锯齿式的电压信号，最终再把电压信号通过一定的数学运算变换为频率信号。它的稳定性优于电流放大型，同时因为积分器体现的是在特定时间内对电流的积分，因为对噪声及环境条件的抵抗力较强。根据集成运放的虚短和虚断原理。可得输入输出关系为：Vout=Is*R*（1+2R2/R1）R6/R4。由此，设计高精密I/V转换电路，其电路结构如下图2所示。

3  电流采样单元方案设计

常规的电流采集方案由于采用了多个I/V转换给系统带来了各通道的分散性误差导致其设计方案存在弊端。基于上述原因提出了电流先通过模拟开关进行切换，然后再利用精密I/V转换电路，得到相应的电压，此方案可从原理上消除先I/V转换后模拟开关切换带来的分散性误差。减少了常规电流采集方案中各通道增益的分散性误差又减少了电路设计的成本。先模拟开关切换后I/V转化方案虽克服了常规方案中的较大的分散性误差和成本过大等缺点。

4  结束语

笔者提出了一种基于改进型高精密I/V转换电路的电流采样单元，综合上述方案进行对比分析，本文采取高精密I/V转换电路方案。电路结构采用对称形式，外围电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压和失调电流等相互抵消，提高了电路的测量精度。

参考文献：

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