一種微弱電流檢測電路及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電流檢測領(lǐng)域，具體涉及一種微弱電流檢測電路及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的微弱電流檢測一般是采用電流取樣法，即通過特制的精密取樣電阻，將電 流信號轉(zhuǎn)變成電壓取樣信號，電壓取樣信號和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較運算，通過運算放大器進(jìn) 行反饋控制，從而達(dá)到電流檢測功能。
[0003] 隨著檢測電流的減小，運算放大器的輸入阻抗對被檢測電流的影響就會增大，嚴(yán) 重影響電流檢測精度。對于半導(dǎo)體分析儀等尖端產(chǎn)品，電流檢測靈敏度要求往往高達(dá)nA級， 甚至高達(dá)PA級，采用傳統(tǒng)的電流檢測方法，不僅檢測的精度低，甚至無法進(jìn)行電流檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種微弱電流檢測電路及方 法，設(shè)計合理，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，測量精度高。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種微弱電流檢測電路，包括輸入級放大電路、中級放大電路、輸出級放大電路， 所述輸入級放大電路包括由結(jié)型場效應(yīng)管對管組成的對管差分放大電路;所述中級放大電 路采用兩組具有同相輸入形式的比例運算放大電路;所述輸出級放大電路采用差分運算放 大電路；
[0007] 所述輸入級放大電路進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換，將微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號;所述中級放 大電路將轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行初步的比例運算放大;所述輸出級放大電路再將比例運算 放大后的電壓信號進(jìn)行差分運算放大，最后對對差分運算放大電壓值進(jìn)行測量。
[0008] 所述輸入級放大電路主要采用結(jié)型場效應(yīng)管對管組成的差分放大電路，可提高輸 入阻抗，獲得較高的共模抑制比，降低輸入偏置電流，從而有效地提高運算放大電路檢測微 弱電流信號的靈敏度；
[0009] 所述中級放大電路為同相輸入方式比例運算放大電路，采用同相輸入方式，實現(xiàn) 較大增益的信號放大，同時進(jìn)一步提高電路輸入阻抗；
[0010] 所述輸出級放大電路為差分運算放大電路，可有效解決有用信號微弱而共模干擾 相對$父尚的矛盾，實現(xiàn)檢測電路的尚增益、尚輸入電阻和尚共t旲抑制比，提尚測量靈敏度， 擴展測量范圍，提高測量結(jié)果可靠性。
[0011]優(yōu)選地，所述的輸入級放大電路還包括漏極電流調(diào)整電路和工作點設(shè)置電路，所 述漏極電流調(diào)整電路用于調(diào)整對管差分放大電路的漏極電流，所述工作點設(shè)置電路用于確 定對管差分放大電路中的工作點;所述漏極電流調(diào)整電路和工作點設(shè)置電路分別通過線路 和對管差分放大電路連接。
[0012]優(yōu)選地，所述漏極電流調(diào)整電路采用高精度配對電阻，便于調(diào)整對管差分放大電 路的漏極電流的一致性。
[0013] 優(yōu)選地，所述中級放大電路的電路結(jié)構(gòu)采用對稱形式，外圍電阻采用高精密電阻， 使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓及失調(diào)電流等互相抵消，可提高電路的測量精度；
[0014] 優(yōu)選地，該微弱電流檢測電路還包括增益控制反饋電路，該部分電路用于控制微 弱電流檢測電路的反饋系數(shù)及相位補償，擴展了電流測量范圍，并進(jìn)一步提高了測量精度。
[0015] 優(yōu)選地，所述漏極電流調(diào)整電路包括第一可調(diào)電阻和漏極電阻，漏極電阻采用配 對電阻；第一可調(diào)電阻的其中一個引出端與VCC的電源電壓相連，第一可調(diào)電阻相對的兩引 出端分別連接至漏極電阻中配對電阻的一端；
[0016] 所述工作點設(shè)置電路包括第三結(jié)型場效應(yīng)管、第四電阻、第五電阻和第六電阻;第 四電阻的一端接地，第四電阻的另一端和第五電阻的一端組成公共端連接至第三結(jié)型場效 應(yīng)管的柵極，第五電阻的另一端和第六電阻的一端組成公共端連接至Vee的電源電壓，第六 電阻的另一端連接至第三結(jié)型場效應(yīng)管的源極。
[0017] 優(yōu)選地，所述對管差分放大電路包括第一結(jié)型場效應(yīng)管、第二結(jié)型場效應(yīng)管、第二 電阻、第三電阻和第二可調(diào)電阻;第二電阻的一端連接至第一結(jié)型場效應(yīng)管的柵極，第三電 阻的一端連接至第二結(jié)型場效應(yīng)管的柵極，第三電阻的另一端接地，第二可調(diào)電阻相對的 兩引出端跨接至第一結(jié)型場效應(yīng)管的源極和第二結(jié)型場效應(yīng)管的源極之間，第一結(jié)型場效 應(yīng)管的漏極和第二結(jié)型場效應(yīng)管的漏極分別連接至漏極電阻中配對電阻的另一端，第二可 調(diào)電阻的另一引出端連接至第三結(jié)型場效應(yīng)管的漏極。
[0018] 優(yōu)選地，所述中級放大電路包括第一運算放大器、第二運算放大器、第十二電阻、 第十三電阻和第三可調(diào)電阻;第一運算放大器的同相輸入端和第二運算放大器的同相輸入 端分別連接至第一結(jié)型場效應(yīng)管的漏極和第二結(jié)型場效應(yīng)管的漏極，第十二電阻跨接至第 一運算放大器的反相輸入端和其輸出端之間，第十三電阻跨接至第二運算放大器的反相輸 入端和其輸出端之間，第三可調(diào)電阻相對的兩引出端跨接至第一運算放大器的反相輸入端 和第二運算放大器的反相輸入端之間，第三可調(diào)電阻的另一引出端連接至第二運算放大器 的反相輸入端。
[0019] 優(yōu)選地，差分運算放大電路包括第三運算放大器、第十四電阻、第十五電阻、第十 六電阻和第十七電阻;第十四電阻的一端連接至第一運算放大器的輸出端，第十四電阻的 另一端和第十六電阻的一端組成公共端連接至第三運算放大器的反相輸入端，第十六電阻 的另一端連接至第三運算放大器的輸出端，第十五電阻的一端連接至第二運算放大器的輸 出端，第十五電阻的另一端和第十七電阻的一端組成公共端連接至第三運算放大器的同相 輸入端，第十七電阻的另一端接地。
[0020] 優(yōu)選地，所述增益控制反饋電路包括第七電阻、第八電阻和繼電器，第七電阻的一 端和第二電阻的另一端連接至Is的電流源的一端，Is的電流源的另一端接地，第七電阻的另 一端和第八電阻連接至繼電器的一端，第八電阻的另一端和繼電器的另一端組成公共端連 接至第三運算放大器的輸出端。
[0021] 本發(fā)明微弱電流檢測電路的原理是：
[0022] 在微弱電流測量時，低噪聲是輸入級放大電路設(shè)計的關(guān)鍵，這一級的噪聲大小直 接決定了整個運放的噪聲特性，場效應(yīng)管的噪聲比雙極晶體管小，結(jié)型場效應(yīng)管噪聲系數(shù) 更低，因此輸入級采用結(jié)型場效應(yīng)管作為差分輸入結(jié)構(gòu)，同時，結(jié)型場效應(yīng)管具有很高的直 流輸入電阻R CS，所以整個電路的開環(huán)差模輸入電阻高達(dá)1011~1014Ω，有效地提高了輸入電 阻。此外，采用對管還可以獲得較高的共模抑制比，結(jié)型場效應(yīng)管工作時，它的PN結(jié)上加的 是反相電壓，柵極電流基本上為零，所以電路的輸入偏置電流可小到l〇_n~1〇_12Α。高輸入 阻抗使被測微弱電流幾乎完全通過反饋電阻，而通過放大器內(nèi)阻的電流幾乎為零，使測量 更準(zhǔn)確。
[0023] 由于輸入級放大電路的噪聲要求嚴(yán)格，不可能兼顧很高的增益，因此在中間放大 級采用集成運放接成比例運算結(jié)構(gòu)來提高整個電路的增益，從而盡可能放大被測微弱電流 信號。同時，采用同相輸入方式，使得電路輸入阻抗進(jìn)一步提高。電路結(jié)構(gòu)采用對稱形式，外 圍電阻采用高精密電阻，使得漂移、噪聲、失調(diào)電壓及失調(diào)電流等互相抵消，提高電路的測 量精度，否則電路的放大倍數(shù)、共模抑制比和精度等會明顯降低。
[0024] 輸出級放大電路采取運放差分放大檢測技術(shù)，有效解決了有用信號微弱而共模干 擾相對$父尚的矛盾，實現(xiàn)檢測電路的尚增益、尚輸入電阻和尚共t旲抑制比。
[0025] 此外，本發(fā)明還提到一種微弱電流檢測方法，該方法采用上述的一種微弱電流檢 測電路，按照如下步驟進(jìn)行：
[0026] 步驟1:通過輸入級放大電路進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換，將微弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；
[0027 ]步驟2:通過中級放大電路將轉(zhuǎn)換后的電壓信號進(jìn)行初步的比例運算放大；
[0028] 步驟3:通過輸出級放大電路將比例運算放大后的電壓信號進(jìn)行差分運算放大，得 到差分運算放大電壓值；
[0029] 步驟4:對差分運算放大電壓值進(jìn)行測量。
[0030] 本發(fā)明所帶來的有益技術(shù)效果：