极微弱准直流电流信号测量电路的设计

于向前，陈鸿飞，邹 鸿，施伟红，邹积清，仲维英

(北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所，北京 100871)



极微弱准直流电流信号测量电路的设计

于向前，陈鸿飞，邹 鸿，施伟红，邹积清，仲维英

(北京大学地球与空间科学学院空间物理与应用技术研究所，北京 100871)

针对极微弱准直流电流信号检测中的噪声和零点漂移问题，采用理论分析和数值计算的方法设计了一款检测电路，包括前置放大器、主放大器和滤波电路。试验表明，该电路具有较低的噪声、较高的灵敏度、较宽的量程和较低的零点漂移量，能够满足实际测量要求。实验结果与理论分析和数值模拟相吻合，可以为极微弱直流电流信号测量技术领域的研究工作提供参考。

极微弱准直流电流信号测量；前置放大器；噪声分析；AD549；LTC1150

0 引言

在空间探测技术、核探测技术及其它仪器仪表研究领域，需要准确测量极微弱的准直流电流信号，例如，在某空间探测仪器的研制中，在传感器输出信号以后，就需要用到量程范围为0.1～100 pA的准直流电流测量电路。微弱信号极易受到周围环境的干扰，而淹没在噪声中。在实际电路设计中，任何一个细节的疏忽都有可能造成测量的失败。微弱信号分为准直流信号和交流信号。前者与后者相比，不仅要考虑信噪比，还要考虑零点漂移问题。针对某空间探测仪器的要求，设计了一款极微弱准直流电流信号测量电路，具有噪声低、零点漂移小、稳定性好、量程宽和体积小等特点。

1 电路设计

1.1 电路原理框图

电路的原理框图如图1所示。传感器可以等效为一个电流源ID、一个电阻RD和一个电容CD并联。电流源的输出电流范围，即传感器的输出电流信号幅度为0.1～100 pA，这就要求后续放大电路能够处理0.1 pA的电流信号。考虑到系统的零点漂移应该尽量小，前置放大器只完成阻抗匹配，即将电流信号转化为电压信号，主放大器采用具有低零点漂移的斩波放大器LTC1150，对信号起主要放大作用。滤波器的作用是滤掉高频噪声，为了减少元器件的使用，将滤波器的设计和主放大器的设计结合起来。

图1 极微弱准直流电流信号测量电路原理框图

1.2 前置放大器的噪声分析和参数选择

前置放大器是电路的核心，决定了电路的噪声水平和响应时间常数。据Friis公式可知，前置放大器的噪声系数对放大器的总噪声系数影响最大[1]。故要求前置放大器必须噪声小、增益稳定、精确、抗干扰能力强。前置放大器的设计分为JEFT对管法和高性能运算放大器法。随着低噪声运放技术的不断发展，直接选用低噪声运放设计传感器前置放大器，成为一种重要的发展趋势[2]。运放的应用大大简化了低噪声电路的设计和调校。

设计前置放大器的任务，就是在给定的传感器输出信号幅度、传感器内阻、传感器等效电容、放大器增益、阻抗和响应特性等条件下，使放大器的噪声特性最佳，即输出信号具有最佳的信噪比。高性能运算放大器的选择原则是：输入偏置电流IB、输入失调电流IOS及输入失调电压VOS要尽量小；电流噪声iN和电压噪声eN要尽量小；共模抑制比(CMRR)要尽量大；输入阻抗RIN要尽量大；漂移要尽量小。同时，还要考虑到空间的特殊应用环境。经过大量筛选，决定选用运算放大器AD549芯片。以AD549芯片为核心的前置放大器有两种反馈形式：直接电阻反馈法和“T”型电阻网络反馈法。其基本电路模式分别如图2和图3所示。

图2 电阻直接反馈法电路

图3 T型电阻网络反馈法电路

对于电阻直接反馈法，Vo=Iin·RF，响应时间常数τ=RF·Cs。对于“T”型电阻网络反馈法，Vo=Iin·RF(1+R1/RF+R1/R2)，响应时间常数τ=RF·Cs。

接下来将建立这两种反馈方法组成的前置放大器的噪声模型，以选取反馈方式。直接电阻反馈法的噪声模型如图4所示[3]。其中，ID为传感器等效电流源；RD为传感器等效电流源的内阻；CD为传感器等效电流源等效电容；Cia为前置放大器输入电容，其中杂散电容为1 pF，实际电路中为了对高阻抗运算放大器反向输入端进行保护，并联一个200 pF的电容，故Cia≈200 pF；eni为前置放大器的反向端噪声电压；ini为前置放大器的噪声电流；Cs为跨接电容，为了保证系统的响应时间常数，此处取为300 pF；RF1为反馈电阻，取为2 GΩ，此时系统的时间常数τ1=2 GΩ·300 pF=0.6 s。能够满足系统每s采集1次数据的要求。enR1为反馈电阻RF1在前置放大器输出端的噪声电压。

图4 直接电阻反馈法噪声模型

输出电压的噪声eno1包括前置放大器的噪声电流造成的输出电压噪声enoi1，反馈电阻RF1造成的输出电压热噪声enR1，放大器反向端输入电压噪声造成的输出噪声电压enoe1。其计算方法如下，在计算过程中，频率取为1 Hz,k为波尔兹曼(1.38×10-23J/K)，T为室温，取298 K。

enoi1=ini·RF1=1 μV；

ω取2π，则eno31=eni×8.7=34.8 μV

前置放大器总输出电压噪声eno1=35.3 μV

对于0.1pA的输入电流，输出电压为0.2mV，信噪比为5.7。

“T”型电阻网络反馈法的噪声模型如图5所示。与直接电阻反馈法相比，“T”型电阻网络反馈法增加电阻R1、R2和电容C1。在0.1 pA输入信号的情况下，要得到与直接电阻反馈法相同的0.2 mV的输出电压，RF2为200 MΩ，阻值降低了10倍。系统的响应时间常数τ2=200 MΩ·300 pF=0.06 s。

图5 “T”型电阻网络反馈法噪声模型

在“T”型电阻网络反馈法中，R1和R2的电阻热噪声与RF相比可以忽略，因此，输出电压噪声同样包括以下3部分。

enoi2=ini·RF2=0.1 μV；

enoe2=eni×8.35=33.4 μV

前置放大器总输出电压噪声eno2==33.4 μV

对于0.1pA的输入电流，输出电压为0.2mV，信噪比为6.0。

前置放大器外围电阻阻值的精度和稳定性也成为影响放大器精度和稳定性的重要因素[1]。精度一般可以通过电路调试解决，稳定性主要由温度变化引起，最理想的解决方法是恒温或者低温，但是对于一般的应用场合，很难满足这个条件。因此，在选用电阻时，尽量选用低温度系数的金属膜电阻。实际的电容器可以等效为1个电容器串联1个电阻再和1个电阻并联，这些电阻都贡献热噪声[4]。研究表明，电容器损耗角愈小，这些电阻上的噪声愈小，即电容的噪声性能愈好。所以，要选择损耗角小的电容。目前，聚苯乙烯或聚四氟乙烯电容，损耗角非常小，而且性能稳定。

当然，还要采取一系列低噪声原则，例如，电源要尽量干净，并在供电端加入退藕电容，接地方式应该为单点接地等。

1.3 主放大器和低通滤波器的设计

主放大器采用具有极低零点漂移的斩波放大器LTC1150。LTC1150不用外接电容，外围电路简单，主要特点如下：低噪声1.8 μVp-p(0.1～10 Hz)，最大漂移电压5 μV，漂移电压的最大温度系数为0.05 μV/℃，最小电压增益140 dB。

为了减少元器件的使用，本文将滤波器的设计和主放大器的设计结合起来，电路图如图6所示。

图6 主放大器和低通滤波器电路

输出电压信号V0与输入电压信号V1的关系为

根据输出信号的要求，主放大器需要的放大倍数为25.5倍，此时，各参数取值如下：Rf=470 kΩ，R1=R2=10 kΩ，C1=C2=0.22 μF，各个参数带入上式，得输入输出关系曲线如图7所示。

图7 低通滤波器的输入输出关系曲线特性

由图7可知，输入信号频率为0.1～1 Hz时，该低通滤波器具有较大的增益，当输入信号频率再增大时，增益迅速降低，即能够对高频噪声起到很好的过滤作用。

2 电路试验结果

2.1 电路灵敏度、零点偏移量和动态范围测试

改变输入电流为-0.1～-100 pA，记录对应的输出电压，其关系拟合曲线如图8所示。

图8 -0.1～-100 pA动态范围测试曲线

拟合曲线方程为V=I× 50-28.4。由该拟合曲线可知，电路灵敏度为50 mV/pA，零点偏移量为-28.4 mV。

2.2 1 pA电流输入稳定度和零点漂移量测试

固定输入信号为1 pA，对电路进行1 h输出观测，每隔10 min读数1次，每次读数时间为10 s，记录最大读数和最小读数，误差棒如图9所示。

图9 1 A电流零点漂移量测试结果

由图9可知，1 pA电流输入时，最大输出电压为-74.5 mV，最小为-71.0 mV，平均值为-72.8 mV，最大误差为±1.8 mV，故该系统的零点漂移量为±1.8 mV。仪器的灵敏度为50 mV/pA，则1 pA测量精度为0.036 pA。

3 结束语

本文针对某应用条件下的极微弱准直流电流信号检测中的噪声和零点漂移问题，设计了一款检测电路，包括前置放大器、主放大器和滤波电路。对前置放大器进行了噪声模型分析，确定了反馈形式和电路参数。对滤波电路进行理论建模分析，确定了基本电路参数。实验结果与理论分析相吻合，本文的研究方法对基于高性能运算放大器的微弱信号测量电路的设计具有重要的参考作用。

[1] OTTHW.电子系统中噪声的抑制与衰减技术.2版.王培清,李迪,译.北京:电子工业出版社,2003.

[2] 江月松.光电技术与实验.北京:北京理工大学出版社,2000.

[3] PARK K. H，JUNG Y G,KIM D E,et al．Development of a Beam-Profile Monitor for Cyclotron MC50.Journal of the Korean Physical Society,2007,50(4):983-987

[4] 管建明.微弱电流信号的前置放大和分析.电测与仪表，1994(3):38-39.

Circuit Design of Ultra-small DC Signals

YU Xiang-qian，CHEN Hong-fei，ZOU Hong，SHI Wei-hong，ZOU Ji-qing，ZHONG Wei-ying

(Institute of Space Physics and Applied Technology，Peking University，Beijing 100871，China)

In allusion to the problems of noise and zero drift existing in the ultra-small DC signals measurement,using theoretical analysis and numerical calculations,this subject designed a circuit consisting of a preamplifier,a main amplifier and a filter.Experiment results show that this circuit has lower noise level,higher sensitivity,wider range and lower zero fluctuate,which can meet the actual measurement requirements.The results coincide with theoretical analysis and numerical simulation,which can provide reference for research of ultra-small DC signals measurement.

preamplifier；noise analysis；AD549； LTC1150

国家自然科学基金项目(41374181)；国家重大科学仪器设备开发专项资助(2012YQ03014207)

2014-09-22 收修改稿日期：2015-03-11

TP272

A

1002-1841(2015)08-0062-03

于向前(1983—)，工程师，博士研究生在读，主要从事空间探测技术研究。E-mail:yuxiangqian@126.com