一种远端高速小电流检测电路的设计

李超，庄伟，吴娱

（中国电子科技集团公司第二十四研究所，重庆，400060）

0 引言

目前，对于远端的高速微安级小电流检测，特别是使用于在线辐照测试、有限空间或污染环境中的小电流检测，尤为困难[1,2]。若采用传统的台式数字万用表检测，其通常具备微安级电流的检测能力，但检测带宽仅有数十千赫兹，难以进一步提高检测带宽，而且引入测量仪表后，插入阻抗较大（一般在200Ω以上），对原电路的工作偏置点也有较大影响[3,4]。若采用电流环或电流探头等检测仪器，其适用的电流检测最小能力通常在数十毫安以上，无法有效的检测微安级的弱电流，信噪比较低[5,6]。此外，以上两类现有检测设备由于是桌面仪器仪表体积较大，也不适用各类外场试验环境，也不宜放置在辐照（难以进行有效屏蔽，且对仪器有一定损伤）等环境中[7-9]，均需置于监控室中，将微安级信号需通过数十米的长线传输后接入设备的测量端口，进一步增大了测量误差，降低了信号测量带宽[10,11]。因此设计一款用于微安级宽带宽弱电流的小型检测电路十分必要，该电路可检测电流信号带宽10ΜHz，检测电流范围±1mA。

考虑到各种外场试验的环境条件限制，我们提出了一种模块化的高速小电流检测/转换电路，测量电路示意框图如图1所示。

图1 远端高速小电流检测电路示意框图

主要组成部分包括：I/V变换电路、二级放大电路和精密电源调理电路。小电流信号通过第一级的I/V变换成电压信号，并对输出信号进行信号调理，后送入第二级进行进一步放大后通过长线传输至监控端。各级电路的偏置供电由专用的精密电源发生电路将长线传输至测量点的电压进行调整后产生，以降低长线压降影响，保证偏置电压精度、信号的瞬态响应和信噪比。

1 电路硬件设计

针对测量需求，本检测电路需要检测的电流范围为最大检测电流为±1mA，空载输出信号为±2V，50Ω匹配负载输出电压为±1V，即电总路增益为2000Ω，输出阻抗为50Ω，需采用多级放大实现。同时，为实现长线检测，电路的应具有较强的线路驱动能力和容性负载带载能力。因此本电路采用了图1所示的电路结构进行处理，其中：

I/V变换采用低噪声、极低输入偏置电流的FET输入放大器作为模拟前端，采用跨阻放大器(TIA)形式进行电流/电压转换，减小插入损耗，实现高速电流信号的检测，并降低电流检测误差。

二级放大电路采用高速电流反馈放大器，没有电压反馈型放大器增益带宽限制，具有低差分增益、高带宽、高驱动能力特性，特别适用于作为线路驱动器，将放大后的信号通过长同轴线接入控制端仪器（仪器输入端采用50Ω输入阻抗）。

精密电源调理电路则需采用具有超低噪声的低压差线性调整器，将控制端输入的电源传输至测量点并稳定，作为检测运放等电路的工作偏置电源。此LDO需要较高的输入电压范围和较大输出电流能力以适应各类现场环境。

1.1 I/V变换电路

I/V变换电路用于将被测电流信号转换为电压信号，选用Analog Devices公司的专用模拟前端电路ADA4350实现，具有低噪声、极低输入偏置电流(±0.25 pA)，其内部功能框图如图2所示[12]。

图2 ADA4350内部功能框图

ADA4350集成了FET输入放大器、切换网络和ADC驱动器，用于光电检测器或其它传感器的模拟前端。FET输入放大器具有极低的电压噪声和电流噪声，非常适合各种光电检测器、传感器或精密数据采集系统[13,14]。切换网络允许用户独立选择多达六个不同的、外部可配置的反馈网络。针对反馈网络使用外部器件，用户可以更轻松地匹配系统所需的光电检测器或传感器电容。开关设计可最大限度地减少误差源，这样信号路径中几乎不会增加任何误差。输出驱动器可用于单端或差分模式，非常适合驱动ADC输入。

在本检测电路中，主要利用ADA4350将输入电流信号转换为电压信号，并作为二级放大的输入信号。检测电流通过FET放大器和反馈电阻矩阵构成的跨阻放大器后，通过其内部P1放大器构成的跟随器进行缓冲后再通过Μ1放大器构成的反相比例放大器后作为本级电路的最终输出，其原理图如图3所示。

从图3可以看出，被检测电流的输入正端与FET放大器的反相端连接，而电路流出端为GND端。跨阻放大器反馈网络为RF0//CF0，由于检测电路检测范围较大，设定RF0电阻为200Ω，则FET放大器输出VSWA_OUT为：

图3 ADA4350构成的第一级放大电路

P1放大器作为VSWA_OUT输出缓冲器，采用跟随器设计，

其输出VOUT1为：

Μ1放大器其内部为固定反馈结构,当Μ1的同相端接地时，其输出VOUT2为：

综合公式（1）、（2）、（3），第一级电路输出电压Vs1为：

因此，本级放大器的最小压摆率(Slew Rate)最低约为13V/μs，而FET放大器、P1、Μ1放大器的压摆率分别为100V/μs、30V/μs及30V/μs，均满足要求，确保了大信号时输出信号不失真。同时，ADA4350内部的放大器最低-3dB带宽均在15ΜHz以上，确保了小信号带宽裕量。

由于ADA4350反馈电阻RF0取值较小时，会导致频率响应中可观测到过度峰化现象。即使利用过大的CF0来予以过度补偿，这种峰化现象仍然存在，即在时域信号中观测脉冲信号输入时，会出现较大的过冲现象(前冲和后冲均存在)，因此在电路设计中增加了专用Snubber缓冲电路（RB1与CB1），以便进行调整，平衡信号检测带宽和峰化现象[15]。

1.2 二级放大电路

二级放大电路主要用于将前级ADA4350转换得到的电压进行放大后，传输至监控端的检测仪器（示波器），因此应采用高速电流反馈运放，且需具有一定的线路驱动能力（长线连接）。本级电路选用LINEAR TECHNOLOGY公司电流反馈运算放大器LT1227构成，没有电压反馈运算放大器的增益带宽积问题，典型带宽为140ΜHz，压摆率1100V/μs，具体电路如图4所示。由于电流反馈型运算放大器带宽和通带平坦度受反馈电阻RF影响较大，一般根据手册推荐选择。本级信号增益为10倍，RF2=510Ω，输出电压VOUT为：

图4 LT1227构成的第二级放大电路

当输入电流IIN= 0.001× sin( 2 ×π× 107×t)时，参照公式（5）计算本级电路压摆率最低为130V/μs，小于1100V/μs，确保了大信号时输出信号不失真。同时根据手册，510Ω时通带平坦(<0.5dB)带宽>60ΜHz，也满足小信号带宽要求。

同时，为对电路失调进行修正，采用RN1、RN2和RN3构成了电路失调补偿电路，可用于消除系统级的零点漂移修正。输出阻抗通过RS1作50Ω系统阻抗匹配，实现信号的长线传输[15]。

1.3 精密电源调理电路

检测电路的供电电源需经过长线传输后给检测单元电路供电，各电缆长度不一、接头阻抗等不一致等都可导致器件的供电电压的波动；同时不同的供电电源的不同输出特性（电源输出纹波等）也会导致电路检测能力、信噪比等变差。因此必须对输入的电源进行预先处理以适用于精密检测电路。

在电源处理电路中，本电路选择Texas Instruments的TPS7A4701和TPS7A33两款低压差线性稳压(LDO)电路分别作为正负电源的调理电路。此系列电源电路适用于高精度精密电路，如功率运算放大器、ADC、DAC以及其他高性能模拟电路。输入电压可达±36V，输出1A，动态负载响应快，具有极低的输出噪声和较高的纹波抑制能力，可作为DC/DC电路的后级使用。本电路设计输出电压为±5V，允许的远端输入电压范围为±7V到±12V，输出纹波小于0.1mVRΜS。

由于供电经过长线传输，供电电源的输出阻抗会增大，降低了负载动态响应的能力，因此电路在LDO的输入和输出级各增加了一枚47μF的陶瓷电容，以降低线电感并抑制外部干扰。对于连接电缆过程中可能出现连接错误的情况或瞬态强电干扰等情况，在设计时对LDO的输入电源进行了防反接保护和TVS防护处理，可避免异常连接时损坏装置。为防止过载等情况，输入级还增加了1A的熔断器，进一步降低装置的在现场使用损坏的风险，原理图如图5所示。

图5 精密电源调理电路

1.4 印制板与内部屏蔽罩设计

检测电路将直接放置在辐照等复杂环境内工作，为降低长线传输或辐照等现场引入的其他干扰对内部的检测电路造成影响，导致检测质量下降，因此就需要对电路的关键部位进行屏蔽处理。设计时，对信号检测单元和电源调理单元采用分体式屏蔽罩进行屏蔽，以方便后续维护，如图6中电路单元的外框部分。同时，针对测量与供电接口，为提高检测质量均采用了SΜA连接器进行连接。

图6

2 电路测试验证

对检测电路采用电流源进行测试验证，测试直流检测精度如表1所示。

表1 检测电路直流信号检测精度

图7 不同输入信号下输出响应

测试在幅度为100Hz、100kHz、10ΜHz正弦电流和2ΜHz的方波电流的响应，检测结果如下(输出端通过30米长的50Ω同轴电缆连接至示波器通道1进行测试，通道1采用50Ω输入阻抗)。

综上，检测电路在直流检测精度、检测信号带宽以及脉冲响应等方面均到设计要求，完全满足使用条件。

3 结论

针对远端的高速小电流检测的需求，相关的直接检测设备较少，且有诸多使用限制，而达到1ΜHz以上检测带宽的检测设备更少。本电路通过合理设计实现了较宽带宽的微安级弱电流检测，具有抗干扰能力强，零共模检测电压，零插入阻抗，高带宽范围、长线驱动等优点，有较强的实际应用价值，可适用于各种类型的在线辐照、限制空间等检测环境中。