一種pA級高性能微電流檢測系統(tǒng)的設計*

李　輝　劉　鯤

(安徽師范大學物理與電子信息學院，蕪湖 241000)

0　引言

微電流是指小于10-5A的電流。微電流檢測屬于微弱信號檢測的一個分支，是一門針對噪聲的技術(shù)，它注重的是如何抑制噪聲和提高信噪比。該技術(shù)在偵察、電化學、生物醫(yī)學、天文學和地學等許多領域得到了廣泛的應用；是發(fā)展高新技術(shù)，探索自然規(guī)律的重要手段，對推動相關(guān)領域的科研具有重要的意義[1]。

本文將采用基于超低偏置電流運放的二級放大調(diào)理電路，輔以Guards環(huán)保護與輸入電纜屏蔽電容歸環(huán)技術(shù)，再配合超高分辨率ADC器件，設計一種在較大的測量范圍內(nèi)具有良好的線性，同時分辨率較高的pA級通用弱電流檢測系統(tǒng)。

1　總體設計

整個弱電流檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，pA級的弱電流信號首先利用極低偏置運放LMP7721作I/V轉(zhuǎn)換，然后由低輸入電流運放LMC6001放大到適宜AD轉(zhuǎn)換的電平；最后經(jīng)高精度ADC器件ADS1211與MCU完成數(shù)據(jù)采集與處理。實測結(jié)果既可由系統(tǒng)自帶的LCD顯示，或通過串口等通信接口在上位機描繪實時的電流曲線。

圖1　弱電流檢測系統(tǒng)原理圖

1.1　放大電路設計

I/V轉(zhuǎn)換與二級放大電路如圖2所示。其中I/V轉(zhuǎn)換與放大電路是弱電流檢測系統(tǒng)的極其重要的核心部分，其轉(zhuǎn)換增益和噪聲性能直接決定待測弱信號在數(shù)據(jù)采集時的幅度和信噪比，從而直接影響檢測的精度和分辨力。I/V轉(zhuǎn)換采用NI公司的極低偏置運放LMP7721，該運放具有不超過20fA的偏置電流和26μV的偏置電壓，且溫度特性良好(<1.5μV/°C)；而不超過2mA的額定電源電流使其適用于便攜式應用。目前LMP7721在光電、生化檢測等弱信號檢測領域得到了廣泛的應用[2]。

為了獲得很大的轉(zhuǎn)換增益，反饋電阻應具有很大的阻值(GΩ量級)。而超高阻不僅具有制作成本高昂，溫濕度系數(shù)大等缺點；而且超高電阻往往分布電容大，造成很長的響應與測試等待時間[3]。此處第一級的I/V轉(zhuǎn)換電路采用T型電阻網(wǎng)絡，可以大大降低反饋電阻的阻值[4]，輸出電壓Uo滿足：

其中Ii為輸入的pA級弱電流，通過合理選擇T型網(wǎng)絡的阻值，可將pA級電流轉(zhuǎn)換成mV級電壓。

待測弱電流由屏蔽電纜輸入，通常屏蔽層接地，這樣雖然可以保護弱信號不受外界電磁場的干擾，但屏蔽電纜的芯線與屏蔽層之間不可避免的存在分布電阻和電容。該分布電阻可能接近放大器的輸入電阻，而分布電容往往可以大于放大器的輸入電容；如果屏蔽電纜的分布電阻和電容與地相連，在弱信號源內(nèi)阻很大時將對微弱信號的檢測帶來不利的影響。為了避免這種影響，可以采用屏蔽電纜歸環(huán)技術(shù)：將芯線傳輸?shù)男盘?:1放大后驅(qū)動屏蔽電纜的屏蔽層，如圖2所示。這就意味著屏蔽層接到一個低內(nèi)阻的電壓源上，此時屏蔽電纜抗干擾的效果不變，但由于芯線上的電壓Ui等于屏蔽層上的電壓Uo，電纜分布電阻RL和電容CL中的電流為0，相當于RL和CL不存在，不再對屏蔽電纜芯線上的弱信號產(chǎn)生影響[4]。

圖2　I/V轉(zhuǎn)換與二級放大

由于輸入電流太微弱(pA級)，輸入端的漏電保護就格外重要。由于油污、潮濕等原因，PCB板的電阻率下降，板上其它位置與輸入端之間的電位差就可能產(chǎn)生漏電流，而漏電流在很多弱信號檢測的應用中是不可忽略的[5]。為了抑制漏電流，可以采用Guarding方法，其基本原理就是：在敏感引腳外圍設置保護環(huán)，且保護環(huán)的偏置電壓與敏感引腳相同，這樣漏電流就會通過保護環(huán)流向模擬地，因而不會對輸入產(chǎn)生干擾。由于輸入端采用反相放大模式，所以可以將保護環(huán)連接到LMP7721的同相輸入引腳(VIN+)，如圖2所示[6]，這將使保護環(huán)偏置為運放的基準電壓(如VDD/2或地)；而且LMP7721的管腳封裝將同相反相輸入端都置于左側(cè)，這使得保護環(huán)很容易設計。

第二級放大使用NI公司的低輸入電流運放LMC6001，其最大電流和輸出偏置分別為25fA和350μV，能滿足mV級電壓放大的需要。為了補償運放的輸入端電容，可以在反饋電阻Rf的兩端添加反饋電容Cf，且滿足[7]：

由于輸入電容Cin往往不可確知，所以可以通過實驗對Cf進行微調(diào)以獲得較好的響應特性。

1.2　高分辨率數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集之前為消除工頻干擾的影響，需要在二級運放輸出端和A/D轉(zhuǎn)換器之間加入雙T型50Hz帶阻濾波器將這個主要干擾成分濾除，如圖3所示，通過調(diào)節(jié)第一級運放的可變電阻，可得到較好的50Hz限波特性，如圖4所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集模塊

圖4　50Hz濾波器限波特性

設計高精度信號采集系統(tǒng)，必須對待測信號進行高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，本文選用BB公司的24bit高精度ADC器件ADS1211。ADS1211為Delta-Sigma型ADC，1000Hz采樣率以內(nèi)擁有20位以上的有效分辨率；片內(nèi)可編程放大器提供1～16倍的增益，能夠滿足不同量程的需要；內(nèi)置三階數(shù)字濾波器提供抗混疊濾波功能，且外部控制器可通過設置片內(nèi)寄存器進行多種校準[8]。當輸入量程為5V時，采樣分辨率理論值達到5000/220≈0.005mV。ADS1211的配置電路如圖3所示。其中SDOUT為轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出，SDIO為配置參數(shù)的輸入，SCLK為串行時鐘，可以方便的與MCU的串口進行通信。

在布線時為了避免數(shù)字電源的噪聲對模擬部分的干擾，最好采用雙電源；必須采用單電源時，可在模擬與數(shù)字供電端之間接入10Ω電阻，與去耦電容一起起到濾波作用。同樣的，模擬地和數(shù)字地也應該分別鋪設，單點連接。

1.3　電源與布線

系統(tǒng)的電源噪聲來源于供電電源、電源轉(zhuǎn)換芯片以及數(shù)字電源對模擬電源的干擾。因此，除了選用低噪聲的電源轉(zhuǎn)換器件與干電池電源外，應盡可能對模擬和數(shù)字部分單獨供電，如必須采用一個電源，則應將模擬和數(shù)字供電端之間利用感性磁珠加以隔離[9]。

影響系統(tǒng)噪聲的另一個主要因素是電路板的布局布線和材料工藝。模擬和數(shù)字電路應分開布局，對應的地層也應分開鋪設，單點連接；電源線應有足夠的寬度以保證較低的分布電阻和電感；電阻和電容應選用噪聲低的金屬膜電阻和鉭電容，而電路板需采用高絕緣介質(zhì)的銅箔板，如CEM-3等，且安裝完成后需用無水乙醇清潔并保持干燥[10]。

2　實驗測試

為了檢驗系統(tǒng)的弱電流檢測能力，首先進行小量程電流檢測實驗(0～20pA)，然后進行大量程電流檢測(0～2400pA)，結(jié)果分別如圖5和圖6所示。圖中可看出：在大小量程之下檢測系統(tǒng)都具有良好的線性；在小量程檢測時，最小可檢測電流為2pA，分辨率優(yōu)于1pA，達到了預期的設計要求。

圖5　小量程電流檢測

圖6　大量程電流檢測

3　結(jié)論

實現(xiàn)pA級的弱電流檢測，關(guān)鍵在于最大限度的減小檢測系統(tǒng)引入的干擾和雜散電流，同時提高AD轉(zhuǎn)換的分辨率。本文采用基于低偏置電流運放LMP7721的二級放大調(diào)理電路，輔以Guards環(huán)保護與屏蔽電纜歸環(huán)技術(shù)，再配合后端的超高分辨率ADC器件ADS1211，設計了一種在較大的測量范圍內(nèi)具有良好性能的pA級弱電流檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)將數(shù)字和模擬部分分開布局與鋪地，同時隔離數(shù)字電源對模擬電源的干擾。實驗表明系統(tǒng)在大小量程都具有良好的線性；在小量程檢測時，最小可檢測電流為2pA，分辨率優(yōu)于1pA，達到了預期要求。

[1]王衛(wèi)勛.微電流檢測方法的研究[D].西安理工大學碩士論文，2007

[2]National Semiconductor Corporation.LMP7721 Multi-Function Evaluation Board Users’Guide[R].http://www.national.com，2010

[3]松井彥邦(日)著，鄧學譯.OP放大器應用技巧100例[M].北京：科學出版社，2006

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[5]鄭建明，黃利華.電路漏電流形成及預防[J].航天制造技術(shù)，2006(4)

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[7]National Semiconductor Corporation.LMC662 CMOS Dual Operational Amplifier[R].www.national.com，2003

[8]Burr-Brown Corporation.24-Bit ANALOG-TO-DIGITAL CONVERTER ADS1211[R].http://www.burr-brown.com，2007

[9]John Ardizzoni.A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout[R].http://www.analog.com/analogdialogue，2005

[10]黃書偉，盧申林，錢毓清.印制電路板的可靠性設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004