直流微纳电流计的设计与制作

肖索源

（西安交通大学 物理学院，陕西西安，710049）

0 引言

在材料测试、传感器、生物医学等领域的科研研究与工程应用中，微电流的测量有其重要地位[1～3]。尤其近年来，物联网的兴起，超低功耗超低电流的测量需求与技术探讨日趋增多[4～10]，普通的数字万用表一般测量不了纳安级别的电流，而数字源表或者高精度的台式万用表一般较贵，不便普及。本文介绍一款低成本直流微纳电流计的设计与制作方法。实际测试表明，该直流微纳电流计测量精度可以达到1nA。

1 测量原理与系统设计

■1.1 测量原理

测量直流微弱电流一种常用的方法是利用传感器将电流信号变换为直流电压信号，然后通过直流电压的数字化测量值计算获得直流微弱电流的测量值[4～6]。传感器通常可以采用一个高精度的采样电阻来完成。由欧姆定律可知：

式(1)中直流电压V 通过模数转换器ADC 获得数字化测量值，然后通过此公式计算就得到了微电流的测量值。

■1.2 系统设计

直流微纳电流计主要包括I/V 变换和直流电压测量两个部分。对于I/V 变换，我们使用了跨阻放大器完成I/V 变换。对于直流电压测量，我们直接采用高精度数字电压表头进行直流电压的数字化测量与显示。同时为了方便测量装置进行校准和便携式使用，我们还辅助设计了一个可调恒流源和电池供电单元。系统的结构框图如图1 所示。

图1 为直流微纳电流计的系统功能结构框图。系统由信号调理模块、A/D 及显示模块、电源模块以及可调恒流源模块4 个部分构成。信号调理模块是系统的核心，它将待测的电流信号调理成A/D 采集所能接受的电压信号并通过显示器显示测量结果。可调恒流源模块用于在对设备校准时提供信号源。电源模块主要将电池供电的电压转换为各模块所需的工作电压或参考电压。

2 电路设计与仿真

■2.1 稳压电路的设计与仿真

图2 为采用Multisim 设计的稳压电路原理图及其仿真结果的展示。图2 的上半部分为±5V 双电源的稳压电路，采用了两片LDO 芯片AMS1117-5（U4、U5）来实现±5V电压的输出。图2 中探针PR1 和PR2 的仿真结果（黄色方框）显示分别为5.00V 和-5.00V，达到设计所需。

图2 的下半部分电路采用了两颗LM336BZ-2.5 稳压管（U6、U7）实现±2.5V 的双精密参考电压源。[11]该输出用作恒流源和校准电路的参考电压源。

■2.2 恒流源电路的设计

图3 为通过电位器自由调节输出电流大小的恒流源电源电路图。R10 抽头处的电压即正比与输出的电流，J2 是档位开关，实现电路±1μA 与±100nA 两个档位的切换。

图3 可调恒流源电路原理图

图3 中，U1B 作为电压跟随器，所以U1B 的输出电压为其输入电压Ub，所以U1A 的同相输入电压U+ 等于电位器抽头得到的输入电压Ui 与Ub 的平均值，即U+=(Ui+Ub)/2。由运放“虚短”可知U+=U-，所以得到U1A 的输出电压Ua=2U-=2U+=Ui+Ub，故可得到流经R4的电流为：

由(2)式可见流经R4 的电流仅由Ui 和R4 确定，R4固定后与Ui 成正比。而由运放的高输入阻抗特性可知，I 就为输出的电流，并由Ui 线性调节其大小（调节电位器R10），这样就实现了一个可调节的恒流源。此处运放选了一颗德州仪器的高精密低功耗双运放OPA2277[12]。

■2.3 信号调理电路的设计与仿真

图4 为本装置的核心部分，对微电流输入信号进行转换输出为大的电压信号的电路原理图。开关J4 用于控制恒流源电路的输出连接到测量电路的输入的通断，通上则方便直接测量恒流源的输出；J3 为SMA 输入接口，用于从板外接入待测信号。

图4 信号调理电路原理图

信号调理电路由前级跨阻放大电路、中间的RC 低通滤波器和后级校准电压调节电路三级构成。待测电流首先通入左侧的运算放大器U2 搭建的跨阻放大电路，通过1MΩ 的采样电阻R6 产生正比于待测电流的电压信号，然后经过低通滤波器和反向加法放大器调理后，其输出电压与待测电流的关系为1mV/nA。此处选择了Intersil 公司的低失调斩波稳零高精度运算放大器ICL7650[13]。

在图4 的J3 处我们可以加一电流源进行激励，通过直流扫描仿真获得其仿真结果如图5 所示。其中图5(a)是pA 级微小信号的仿真情况，图5(b)是装置设计的全量程(-2μA ～ 2μA)信号的仿真情况。可以看出该电路有非常好的线性度，数字化测量后可以不需要进行非线性校准。

图5 信号调理电路的直流扫描仿真结果

■2.4 全装置电路原理图

图6 为直流微电流表电路板上完整的电路原理图，使用NI Multisim 14.0 绘制。系统采用双9V 层叠电池供电，J5、J6 为连接电池的接口；J8 为连接电压表模块的接口。J1、J3 可以用于接出恒流源的输出和接入待测的电流。

图6 全装置电路原理图

3 测量装置的制作与测试

■3.1 装置的制作与校准

使用NI Ultiboard 14.0设计的PCB版图如图7所示。使用了1.6mm 的双层板，尺 寸 约 为96mm×72mm，线宽约为1mm，四角有固定用的定位孔。

图7 直流微电流表的PCB 设计版图

图8 给出了一张电路板焊接装配后正常工作时的实物照片。

图8 直流微电流表的实物照片

直流微电流表使用前需要校准。装置电路板上有两个用于校准时调节的电位器。其中一个调节通过加法器与待测信号相加的恒定电压信号的大小，用于抵消输出的直流偏置；另一个调节同相放大器的放大倍数，用于确保输出的放大比例和真实电流信号一致。我们采用了泰克2450 数字源表来对装置进行校准。该源表在1μA 量程模式下的输出电流源分辨率为50pA，测量分辨率为1pA，远超我们微纳电流计的设计指标。

■3.2 装置的测试与精度

表1 是将我们设计的微纳电流计与泰克2450 数字源表的进行对比测试的数据表。

表1 微纳电流计与泰克数字源表的对比测试数据表

表1 的读数栏是直流微纳电流计的读数，误差是电流计读数与数字源表的输出值之间的误差量。从表1 测试结果可以知道，直流微电流表的整体误差基本控制在0.03%±0.4nA 之内。

4 总结

本文介绍了一款低成本的直流微电流表的设计与制作过程。该电流表采用高精度低噪声的大采样电阻和斩波稳零式高精度运放实现了跨阻放大器电路设计，避免了共模输入干扰。测量系统具有高线性度，采用了工业数字电压显示表头显示结果，简化设计的同时也大幅提高了稳定性与可靠度。测试结果表明该装置达到纳安级的电流测量精度。