韓 鈺，楊戴博，李 昆，李 丹，夏 源，張 虎，曾 帥，曾少立

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213）

0 引言

微電流通常指信號(hào)小于10-6A 的電流信號(hào)，在測(cè)量時(shí)非常容易被噪聲淹沒，屬于微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域中的一個(gè)重要學(xué)科。微電流信號(hào)測(cè)量技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于核電、航天、醫(yī)療、軍事偵察、物理學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)、天文學(xué)、磁學(xué)等許多領(lǐng)域。例如：在醫(yī)療領(lǐng)域，重離子放療中用于束流位置及剖面均勻性監(jiān)測(cè)的分條電離室探測(cè)器輸出的信號(hào)為多路的微電流信號(hào)，其輸出電流信號(hào)低至nA 量級(jí)甚至fA量級(jí)；在航天領(lǐng)域，探測(cè)器產(chǎn)生的總電離量與輸出電路中累積的電荷直接有關(guān)，并且在某一段時(shí)間內(nèi)所要測(cè)量的電路中的電流信號(hào)也是十分微弱的；在核動(dòng)力領(lǐng)域，需要測(cè)量布置在堆芯或壓力容器外的探測(cè)器產(chǎn)生的許多路微電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)堆芯和堆外物理狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由此可見，微電流測(cè)量設(shè)備作為高精密測(cè)量?jī)x表，已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1,2]。微電流測(cè)量裝置作為高精密儀器，其測(cè)量的精度和穩(wěn)定性直接關(guān)系到設(shè)備的可靠性和可用性。尤其在核動(dòng)力領(lǐng)域，當(dāng)微電流測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到安全級(jí)設(shè)備時(shí)，其測(cè)量的穩(wěn)定性將關(guān)系到反應(yīng)堆的安全，為此專門配備了相應(yīng)的高精密微電流信號(hào)裝置和儀器儀表，用于標(biāo)定、制造、調(diào)試和定期維護(hù)等。目前，這類的精密儀器儀表一直被國(guó)外廠家所長(zhǎng)期壟斷（如Keithly 等），且國(guó)內(nèi)該類儀表僅實(shí)現(xiàn)了nA 級(jí)微電流信號(hào)輸出，對(duì)于pA 級(jí)甚至fA 級(jí)尚未有類似產(chǎn)品報(bào)道。本文設(shè)計(jì)了一種超寬量程fA 級(jí)高精密微電流信號(hào)輸出電路，實(shí)現(xiàn)了100fA ～1uA 微電流信號(hào)的高精度穩(wěn)定輸出，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，打破了國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)了精密儀器的自主可控。

圖1 超寬量程fA級(jí)高精密微電流信號(hào)輸出電路的總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design scheme of ultra wide range FA level high precision micro current signal output circuit

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的超寬量程fA 級(jí)高精密微電流信號(hào)輸出電路分為控制單元、V/I（電壓/電流）轉(zhuǎn)換單元、電壓輸出單元和量程切換單元。其中，控制單元主要用于控制電壓輸出單元，控制單元控制電壓發(fā)生單元輸出高精度0V ～5V電壓，同時(shí)根據(jù)設(shè)置的電流值大小，智能控制量程切換到相應(yīng)的檔位，從而輸出恒流電源；V/I（電壓/電流）轉(zhuǎn)換單元是本設(shè)計(jì)方案的核心電路，其主要功能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為恒定的電流信號(hào)輸出；電壓輸出單元用于輸出高精度的低壓電源；量程切換單元主要用于控制微電流輸出4 個(gè)量程檔位的切換。

1.2 V/I轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)分析[3]

在放大電路中引入電流串聯(lián)負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)電壓——電流的轉(zhuǎn)換。圖2 為基于運(yùn)算放大器的V/I 轉(zhuǎn)換電路原理圖，假設(shè)集成運(yùn)放為理想運(yùn)放，因而引入負(fù)反饋后具有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，可得：UP=UN=0，iO=iR，即：

圖2 基于運(yùn)算放大器的V/I轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of V / I conversion circuit based on operational amplifier

iO與uI成線性關(guān)系。

在實(shí)際電路中，常需要負(fù)載電阻RL有接地端，為此產(chǎn)生了如圖3 所示的豪蘭德電流源電路。由于該電路引入了深度負(fù)反饋，可以認(rèn)為集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端電位uN≈uP，電流iN≈iP≈0，因此在節(jié)點(diǎn)N 的電流方程為：

因?yàn)镹點(diǎn)電位為：

節(jié)點(diǎn)P 的電流方程為：

因而P 點(diǎn)電位為：

因?yàn)閡N≈uP，因此在R2/R1=R3/R 時(shí)，可以得到iO≈-uI/R。

即輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系，輸出電流隨輸入電壓的改變而改變。同時(shí)，電路引入了深度負(fù)反饋，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電路也能保持穩(wěn)定的微電流輸出。

根據(jù)上述分析，在R2/R1=R3/R 時(shí)，采用16 位高精度D/A 轉(zhuǎn)換器輸出0V~5V，輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系，可得輸出電流的表達(dá)式為：

其中，D 為控制D/A 轉(zhuǎn)換器的代碼的十進(jìn)制等效值，最小值為1。

VREFIN 是D/A 轉(zhuǎn)換器的參考電壓5V。

圖3 V/I轉(zhuǎn)換單元電路Fig.3 V / I Conversion unit circuit

根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)R 采用10GΩ 電阻，微電流源電路的輸出控制精度可達(dá)1fA。

1.3 噪聲分析

“微弱信號(hào)”主要指的是被噪聲淹沒的信號(hào)，“微弱”是相對(duì)于噪聲而言的。因此，微弱信號(hào)是一門專門抑制噪聲的技術(shù)，其首要任務(wù)是提高信噪比。因?yàn)橹豢糠糯笫遣荒馨盐⑷跣盘?hào)輸出的。只有在有效抑制噪聲的條件下，才能輸出有用信號(hào)。本文針對(duì)微電流信號(hào)輸出電路的核心關(guān)鍵電路和元器件進(jìn)行噪聲分析，從而選擇合適的器件，從設(shè)計(jì)上最大程度地抑制噪聲，提高輸出信號(hào)的信噪比，從而實(shí)現(xiàn)超寬量程fA 級(jí)高精度微電流信號(hào)的輸出。

1.3.1 運(yùn)放噪聲分析

由于運(yùn)放的兩個(gè)輸入端并不是絕對(duì)的高阻，運(yùn)放的輸入端會(huì)有一定的電流流進(jìn)運(yùn)放，且兩端流入電流不相等，同時(shí)運(yùn)放還受失調(diào)電壓等因素的影響，使得0 輸入時(shí)的運(yùn)放輸出電壓并不完全為0。

以圖4 為例，規(guī)定運(yùn)放同相輸入端電位為U+，反相輸入端電位為U-，從同相輸入端流進(jìn)的電流為IB1，從反相輸入端流進(jìn)的電流為IB2，則輸入偏置電流IB和失調(diào)電流IOS分別為：

根據(jù)失調(diào)電流、偏置電流和失調(diào)電壓的定義，可以得到：

圖4 運(yùn)算放大器噪聲分析電路Fig.4 Operational amplifier noise analysis circuit

在根據(jù)上述兩方程式解得：

其中，GN被稱為噪聲增益。根據(jù)上述電路噪聲分析，在電路設(shè)計(jì)中首要選擇失調(diào)電壓、失調(diào)電流和偏置電流均比較小的運(yùn)算放大器。但在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，噪聲總是不可避免的，且當(dāng)需要V/I 轉(zhuǎn)換電路輸出fA級(jí)微電流時(shí)，這些噪聲對(duì)輸出結(jié)果的影響尤為嚴(yán)重。所以在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，需要增加調(diào)零電路，以減小失調(diào)電壓、失調(diào)電流和偏置電流對(duì)電路的影響。

1.3.2 電阻噪聲分析

電阻的熱噪聲是電阻器噪聲的主要成分，源于電阻中的電子隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)。任何電阻或?qū)w，即使沒有連接到任何信號(hào)或電源，也沒有任何電流流過該電阻，其兩端也會(huì)有噪聲電壓變化，即熱噪聲。電阻兩端呈現(xiàn)的開路熱噪聲電壓有效值Et：

式（12）中，k為波爾茲曼常數(shù)（k=1.38×10-23J/K）；T為電阻的絕對(duì)溫度（K）；R 為電阻的阻值（Ω）；B 為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬（Hz）。由式（12）可知，熱噪聲電壓正比于R、B與T的平方根。因此，在微弱信號(hào)系統(tǒng)中，應(yīng)使R與B盡可能地小，同時(shí)為保證電路的穩(wěn)定性，電阻溫度系數(shù)（TCR）需要盡可能的小。

1.4 接地屏蔽設(shè)計(jì)

由于微電流源的控制電壓信號(hào)及微電流信號(hào)都十分微弱，所以任何微小的噪聲信號(hào)都會(huì)對(duì)輸出結(jié)果造成很大的影響。電磁場(chǎng)的干擾需要采用外加金屬屏蔽盒的方式來屏蔽。在實(shí)際屏蔽中，除了極少數(shù)的例外，屏蔽體不可避免存在著相當(dāng)多的空洞和縫隙。而這些空洞和縫隙為電磁場(chǎng)的穿透提供了通道，因此導(dǎo)致屏蔽效果降低。本方案的屏蔽措施是在PCB 沿金屬屏蔽盒走一圈不帶阻焊層的地線，然后將屏蔽盒與地線焊接，與核心電路形成一個(gè)密閉的腔體。

表1 微電流輸出精度測(cè)試Table 1 Micro current output accuracy test

1.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用Keithley 6430 對(duì)本文設(shè)計(jì)的微電流源進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試結(jié)果見表1。表1 的測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的fA 級(jí)微電流源達(dá)到了預(yù)定的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了100fA ～1uA 微電流信號(hào)的輸出，相對(duì)誤差≤±1.0%，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的水平。將微電流源設(shè)置為100fA，間隔時(shí)間為1s 連續(xù)讀取20 個(gè)測(cè)量值，以考察微電流源輸出的短期穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果見表2。結(jié)果表明：微電流源的輸出波動(dòng)小于1fA，微電流源具有較好的穩(wěn)定性。

2 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種超寬量程fA級(jí)高精密微電流信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)了10-14A ～10-6A 微電流信號(hào)的高精度穩(wěn)定輸出。與國(guó)外同類精密儀表對(duì)比（如Keithley），其輸出信號(hào)相對(duì)誤差≤±1.0%，達(dá)到了同等水平，打破了國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)了精密儀器自主可控。該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于核電、航天、醫(yī)療、軍事偵察、物理學(xué)、化學(xué)、電化學(xué)、天文學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域的微電流測(cè)量設(shè)備的標(biāo)定、校準(zhǔn)、驗(yàn)證和維護(hù)。

表2 100fA微電流輸出穩(wěn)定性測(cè)試Table 2 100fA Micro current output stability test