王威 崔敏 李孟委 張鵬 梁洲鑫

摘要：針對納米光柵微陀螺輸出微安甚至皮安級的微弱電流信號，設(shè)計微弱電流信號的前置放大電路，研究弱電流信號檢測與電路穩(wěn)定性的理論，提出一種低成本、低噪聲、高信噪比的微弱電流檢測方法，即高阻型的，I-V轉(zhuǎn)化法，并給出高阻型，I-V轉(zhuǎn)化電路的響應(yīng)帶寬計算公式以及電路穩(wěn)定性的分析方法。通過搭建測試臺，對電路性能及功能進行實際測試。實驗結(jié)果表明：該電路可對皮安級的微弱電流信號進行檢測放大，電路靈敏度為10mV/pA，最大檢測誤差為1.5%（當(dāng)輸入微弱電流值>10pA時），滿足納米光柵微陀螺的微弱電流檢測的需求。

關(guān)鍵詞：納米光柵陀螺;前置放大電路;微弱信號檢測;I-V電路;穩(wěn)定性

中圖分類號：TM934文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）04-0123-06

0引言

陀螺是用于測量角速率的傳感器，是慣性技術(shù)的核心器件之一。它具有體積小、功耗低、成本低、易批量化生產(chǎn)、靈敏度高、抗過載能力強、動態(tài)范圍大和可集成性好等優(yōu)點，因此在民用消費領(lǐng)域和現(xiàn)代國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

微機械陀螺高精度檢測的重點是對微弱哥氏力引起的微應(yīng)力或微位移的檢測。納米光柵對微位移具有極高的靈敏度。通過此原理可獲得飛米級的微位移檢測分辨率，仿真結(jié)果表明其噪聲分辨率高達2.603x 10^-4（°）/h/√HZ，將納米光柵應(yīng)用于MEMS陀螺微位移檢測，可以解決微弱哥氏力的檢測難題，能夠克服現(xiàn)有電容檢測原理檢測靈敏度低的不足。微雖然目前微弱電流檢測的相關(guān)儀器在檢測精度與檢測的數(shù)量級上已經(jīng)達到很高的水平，但是由于這些儀器價格昂貴，體積較大，難于與實際的測試對象輕便組合等因素，限制了其使用范圍。不少高校、研究所針對微弱電流檢測這一問題進行了研究，如張全文，姜利英，譚同等研究的微弱電流檢測電路已經(jīng)處于實用階段，但是他們在高阻型，I-V電路的穩(wěn)定性分析中，電路帶寬計算并沒有具體的理論分析。本文研究了高阻型的I-V微弱電流檢測方法，在保證測試精度的同時，又可以解決測試儀器的不足，同時也給出了電路帶寬的計算方法與電路穩(wěn)定性的分析方法，進一步完善了微弱電流檢測電路的設(shè)計與分析理論。

1納米光柵陀螺的原理

納米光柵微陀螺工作原理如圖l所示，首先內(nèi)框帶動質(zhì)量塊在x方向諧振，當(dāng)z軸有角速率ω輸入時，質(zhì)量塊將受到y(tǒng)方向的哥氏力F作用，使可動光柵相對于固定光柵發(fā)生位移。輸入角速率沿z軸方向、陀螺質(zhì)量塊的振動速度沿x軸方向、陀螺質(zhì)量塊的受哥氏力沿y軸方向，哥氏力F與ω、u3者之間的關(guān)系如圖2所示，其中F=2M.ω×V，M為陀螺質(zhì)量塊的質(zhì)量。微弱的距離變化將導(dǎo)致透過納米光柵的衍射光強發(fā)生劇烈變化，因此光電探測器通過探測衍射光強的變化檢測微弱哥氏力引起的微小位移。

納米光柵陀螺的靈敏度由結(jié)構(gòu)靈敏度、衍射靈敏度、光電探測器的靈敏度共同決定，靈敏度之間的關(guān)系為

式中：S結(jié)構(gòu)——結(jié)構(gòu)靈敏度，nm/（°）/s;

S衍射——衍射靈敏度，mW/nm;

S光電探測——光電探測器的靈敏度，mA/W。

針對以上陀螺結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈敏度仿真結(jié)果為21.27nm/（°）/s，衍射靈敏度仿真結(jié)果為0.00175mW/nm，如果選用型號為S1227-16RR的光電二極管作為光電探測器，其靈敏度為430mA/W，暗電流為5pA，運用公式（1）計算可得陀螺的總靈敏度為0.016mA/（°）/s。陀螺的輸入角速率在0.00001（°）/s時，則陀螺的輸出信號為160pA，因此需要一種微弱電流檢測電路對陀螺輸出的微弱電流信號進行高增益放大，方便后端電路對陀螺輸出信號的處理。

2放大電路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

針對微弱電流信號檢測的問題，設(shè)計了一種微弱電流系統(tǒng)，微弱電流檢測系統(tǒng)的整體原理框圖如圖3所示，主要由皮安級微弱電流信號源、I-V轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理電路、電源模塊、高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA主控制器、電磁屏蔽殼、同軸線、電腦等構(gòu)成。

其中微弱電流信號由是德科技的B291l來提供pA級的微弱電流信號，該信號源可以提供10fA的微弱電流信號，可以滿足本次的測試要求;I-V轉(zhuǎn)換電路是本次設(shè)計的核心，該電路具有20fA的輸人偏置電流，可以有效地降低因為輸人偏置電流帶來的電流檢測誤差;信號調(diào)理電路是對前置放大電路輸出信號的放大濾波，提高信號的質(zhì)量，方便后端ADC的采集。FPGA主控制器是控制ADC電路對輸出電壓信號的采集，同時將采集到的信號通過串口發(fā)送到上位機，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的分析處理;內(nèi)外兩層的電磁屏蔽殼體可以保護電路不受外部電磁干擾。

3電路的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1I-V電路

I-V轉(zhuǎn)換電路是一種將待測量的微弱電流信號轉(zhuǎn)換并放大為一個幅值較大的電壓信號，通過測量轉(zhuǎn)換得到的電壓信號從而獲得待測微弱電流信號大小的方法。I-V轉(zhuǎn)換電路實質(zhì)是一個跨阻放大器，如圖4所示。根據(jù)理想運算放大器的“虛短”與“虛斷”，和基爾霍夫電流定律，輸出電壓可近似為

待測電流的放大倍數(shù)是由反饋電阻Rf決定的，因此當(dāng)待測電流信號很小以至于達到皮安級或者飛安級，要將其放大到便于測量的毫伏級電壓時，必須使用高阻值的反饋電阻進行測量。其值大概在10⁹～10¹²Ω。反饋電阻RF是影響I-V轉(zhuǎn)換電路測量性能的重要因素，反饋電阻的等效電流噪聲是影響I-V轉(zhuǎn)換方法的測量下限與分辨能力的關(guān)鍵指標(biāo)。電阻的Johnson等效電流噪聲是平坦的白噪聲，它呈高斯分布，具有不可預(yù)見性與各態(tài)遍歷性的特點，電阻的電流噪聲公式可以表示為

由式（3）可知，電路在溫度恒定，帶寬一定的情況下，阻值越大，電阻產(chǎn)生的電流噪聲越小。在兼顧電路噪聲與電路帶寬的指標(biāo)，選取10GΩ的電阻作為反饋電阻RF。

為保證電路的電流檢測能力，應(yīng)該選取高輸入阻抗，極低輸入偏置電流的運算放大器作為前置放大器。這樣可以防止運算放大器的輸人偏置電流信號對輸入的微弱電流信號造成分流，影響電路檢測的精度。電路采用ADI公司具有極低輸入偏置電流的運算放大器ADA4530-1來完成前端電路的搭建。由于ADA4530-1輸入偏置電流的典型值為±20fA（最大值，TA=25℃）;失調(diào)電壓為50uv（最大值，額定CMRR范圍）;輸入電阻大于100TΩ。因此該芯片非常適合作為微弱信號的前置放大器。

電路的電壓、電流放大倍數(shù)已達10¹⁰倍，容易自激，因此必須對電路的穩(wěn)定性進行分析。電路的輸入電容的分布如圖5所示，定義輸人電容舔=CDwlICcMIICo，其中C_DIF為寄生差分電容，C_CM為芯片的共模電容值，C_D為輸入電流信號源的

前端的寄生電容Cs和RF會在噪聲增益曲線上形成一個零點Z1，導(dǎo)致運放的開環(huán)增益曲線和噪聲增益曲線相交處的逼近速度為-40dB/dec，這樣會造成運算放大器的不穩(wěn)定。其伯德圖如圖6所示。

為使電路穩(wěn)定的工作，采用反饋電容CF作為補償，反饋電容會在噪聲增益曲線中形成一個極點，該極點會使噪聲增益曲線與運算放大器的開環(huán)增益曲線的閉合速率以-20dB/dec進行滾降，從而滿足環(huán)路穩(wěn)定性的要求。當(dāng)電路中加入反饋CF以后，可以計算出I-V電路的反饋因子為

3.3電路防護措施

由于檢測的信號非常微弱，需要對電路進行相關(guān)的防護措施。在本次的電路設(shè)計的過程中，主要從以下幾方面進行考慮：1）微弱信號的傳輸途徑;2）電路外部電磁干擾的排除;3）電路PCB板上微弱電流的泄露。針對第一種情況我們采取的措施是運用同軸線纜將微弱信號源產(chǎn)生的微弱電流信號傳輸?shù)椒糯箅娐钒迳?在排除外部電磁干擾方面采取的措施是采用雙層金屬屏蔽，在內(nèi)層中對關(guān)鍵器件（前置放大器）采用鋁制金屬殼進行屏蔽，在外層中對整個電路板采用鐵質(zhì)金屬殼進行屏蔽;在防止微弱電流泄露方面主要從電路板疊層設(shè)計和電路板表層走線設(shè)計兩個方面進行考慮，在PCB電路疊層方面采用頂層-接地層-電源層-底層的形式，在表層采用電流保護環(huán)將微弱信號傳輸線進行包圍，在微弱信號走線的底層設(shè)置保護層，保護環(huán)與保護層之間需要打過孔。

4電路測試

為了驗證電路的檢測能力，采用安捷倫公司的微弱電流源B2911來產(chǎn)生pA級的微弱電流。測試結(jié)果如表1所示。

運用標(biāo)準(zhǔn)微弱電流信號源給電路提供微弱電流，在1-10pA的范圍內(nèi)電流的步進值為1pA，在10-100pA的范圍內(nèi)電流的步進值為10pA，從表中可以看出，在10pA以內(nèi)的電流測量誤差較大，在10-100pA的范圍內(nèi)，電流的測量誤差較小，最大誤差為1.5%。根據(jù)表l的數(shù)據(jù)，可以繪制出電路的I-V曲線，如圖9所示。其中Slope參數(shù)表示直線的斜率，也是代表電路的靈敏度。由圖可知電路的靈敏度可達10mV/pA。

5結(jié)束語

本文首先分析了ADA4530-l芯片作為跨導(dǎo)放大器的優(yōu)點，提供了具體電路穩(wěn)定性分析的方法，并且提出電路穩(wěn)定性的措施及電路帶寬計算的方法。同時給出了微弱電流信號檢測電路中相關(guān)的屏蔽處理和防止漏電流的方法。最后通過實驗對電路的性能進行了測試，實驗數(shù)據(jù)表明電路可以檢測到皮安級的微弱電流，且電路靈敏度高達10mV/pA，能夠滿足納米光柵微陀螺的檢測需求。