李超，莊偉，吳娛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶，400060）

0 引言

目前，對(duì)于遠(yuǎn)端的高速微安級(jí)小電流檢測(cè)，特別是使用于在線輻照測(cè)試、有限空間或污染環(huán)境中的小電流檢測(cè)，尤為困難[1,2]。若采用傳統(tǒng)的臺(tái)式數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)，其通常具備微安級(jí)電流的檢測(cè)能力，但檢測(cè)帶寬僅有數(shù)十千赫茲，難以進(jìn)一步提高檢測(cè)帶寬，而且引入測(cè)量?jī)x表后，插入阻抗較大（一般在200Ω以上），對(duì)原電路的工作偏置點(diǎn)也有較大影響[3,4]。若采用電流環(huán)或電流探頭等檢測(cè)儀器，其適用的電流檢測(cè)最小能力通常在數(shù)十毫安以上，無(wú)法有效的檢測(cè)微安級(jí)的弱電流，信噪比較低[5,6]。此外，以上兩類現(xiàn)有檢測(cè)設(shè)備由于是桌面儀器儀表體積較大，也不適用各類外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境，也不宜放置在輻照（難以進(jìn)行有效屏蔽，且對(duì)儀器有一定損傷）等環(huán)境中[7-9]，均需置于監(jiān)控室中，將微安級(jí)信號(hào)需通過(guò)數(shù)十米的長(zhǎng)線傳輸后接入設(shè)備的測(cè)量端口，進(jìn)一步增大了測(cè)量誤差，降低了信號(hào)測(cè)量帶寬[10,11]。因此設(shè)計(jì)一款用于微安級(jí)寬帶寬弱電流的小型檢測(cè)電路十分必要，該電路可檢測(cè)電流信號(hào)帶寬10ΜHz，檢測(cè)電流范圍±1mA。

考慮到各種外場(chǎng)試驗(yàn)的環(huán)境條件限制，我們提出了一種模塊化的高速小電流檢測(cè)/轉(zhuǎn)換電路，測(cè)量電路示意框圖如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)端高速小電流檢測(cè)電路示意框圖

主要組成部分包括：I/V變換電路、二級(jí)放大電路和精密電源調(diào)理電路。小電流信號(hào)通過(guò)第一級(jí)的I/V變換成電壓信號(hào)，并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，后送入第二級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步放大后通過(guò)長(zhǎng)線傳輸至監(jiān)控端。各級(jí)電路的偏置供電由專用的精密電源發(fā)生電路將長(zhǎng)線傳輸至測(cè)量點(diǎn)的電壓進(jìn)行調(diào)整后產(chǎn)生，以降低長(zhǎng)線壓降影響，保證偏置電壓精度、信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)和信噪比。

1 電路硬件設(shè)計(jì)

針對(duì)測(cè)量需求，本檢測(cè)電路需要檢測(cè)的電流范圍為最大檢測(cè)電流為±1mA，空載輸出信號(hào)為±2V，50Ω匹配負(fù)載輸出電壓為±1V，即電總路增益為2000Ω，輸出阻抗為50Ω，需采用多級(jí)放大實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)線檢測(cè)，電路的應(yīng)具有較強(qiáng)的線路驅(qū)動(dòng)能力和容性負(fù)載帶載能力。因此本電路采用了圖1所示的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，其中：

I/V變換采用低噪聲、極低輸入偏置電流的FET輸入放大器作為模擬前端，采用跨阻放大器(TIA)形式進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，減小插入損耗，實(shí)現(xiàn)高速電流信號(hào)的檢測(cè)，并降低電流檢測(cè)誤差。

二級(jí)放大電路采用高速電流反饋放大器，沒(méi)有電壓反饋型放大器增益帶寬限制，具有低差分增益、高帶寬、高驅(qū)動(dòng)能力特性，特別適用于作為線路驅(qū)動(dòng)器，將放大后的信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)同軸線接入控制端儀器（儀器輸入端采用50Ω輸入阻抗）。

精密電源調(diào)理電路則需采用具有超低噪聲的低壓差線性調(diào)整器，將控制端輸入的電源傳輸至測(cè)量點(diǎn)并穩(wěn)定，作為檢測(cè)運(yùn)放等電路的工作偏置電源。此LDO需要較高的輸入電壓范圍和較大輸出電流能力以適應(yīng)各類現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

1.1 I/V變換電路

I/V變換電路用于將被測(cè)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，選用Analog Devices公司的專用模擬前端電路ADA4350實(shí)現(xiàn)，具有低噪聲、極低輸入偏置電流(±0.25 pA)，其內(nèi)部功能框圖如圖2所示[12]。

圖2 ADA4350內(nèi)部功能框圖

ADA4350集成了FET輸入放大器、切換網(wǎng)絡(luò)和ADC驅(qū)動(dòng)器，用于光電檢測(cè)器或其它傳感器的模擬前端。FET輸入放大器具有極低的電壓噪聲和電流噪聲，非常適合各種光電檢測(cè)器、傳感器或精密數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[13,14]。切換網(wǎng)絡(luò)允許用戶獨(dú)立選擇多達(dá)六個(gè)不同的、外部可配置的反饋網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)反饋網(wǎng)絡(luò)使用外部器件，用戶可以更輕松地匹配系統(tǒng)所需的光電檢測(cè)器或傳感器電容。開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)可最大限度地減少誤差源，這樣信號(hào)路徑中幾乎不會(huì)增加任何誤差。輸出驅(qū)動(dòng)器可用于單端或差分模式，非常適合驅(qū)動(dòng)ADC輸入。

在本檢測(cè)電路中，主要利用ADA4350將輸入電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并作為二級(jí)放大的輸入信號(hào)。檢測(cè)電流通過(guò)FET放大器和反饋電阻矩陣構(gòu)成的跨阻放大器后，通過(guò)其內(nèi)部P1放大器構(gòu)成的跟隨器進(jìn)行緩沖后再通過(guò)Μ1放大器構(gòu)成的反相比例放大器后作為本級(jí)電路的最終輸出，其原理圖如圖3所示。

從圖3可以看出，被檢測(cè)電流的輸入正端與FET放大器的反相端連接，而電路流出端為GND端?？缱璺糯笃鞣答伨W(wǎng)絡(luò)為RF0//CF0，由于檢測(cè)電路檢測(cè)范圍較大，設(shè)定RF0電阻為200Ω，則FET放大器輸出VSWA_OUT為：

圖3 ADA4350構(gòu)成的第一級(jí)放大電路

P1放大器作為VSWA_OUT輸出緩沖器，采用跟隨器設(shè)計(jì)，

其輸出VOUT1為：

Μ1放大器其內(nèi)部為固定反饋結(jié)構(gòu),當(dāng)Μ1的同相端接地時(shí)，其輸出VOUT2為：

綜合公式（1）、（2）、（3），第一級(jí)電路輸出電壓Vs1為：

因此，本級(jí)放大器的最小壓擺率(Slew Rate)最低約為13V/μs，而FET放大器、P1、Μ1放大器的壓擺率分別為100V/μs、30V/μs及30V/μs，均滿足要求，確保了大信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)不失真。同時(shí)，ADA4350內(nèi)部的放大器最低-3dB帶寬均在15ΜHz以上，確保了小信號(hào)帶寬裕量。

由于ADA4350反饋電阻RF0取值較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頻率響應(yīng)中可觀測(cè)到過(guò)度峰化現(xiàn)象。即使利用過(guò)大的CF0來(lái)予以過(guò)度補(bǔ)償，這種峰化現(xiàn)象仍然存在，即在時(shí)域信號(hào)中觀測(cè)脈沖信號(hào)輸入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的過(guò)沖現(xiàn)象(前沖和后沖均存在)，因此在電路設(shè)計(jì)中增加了專用Snubber緩沖電路（RB1與CB1），以便進(jìn)行調(diào)整，平衡信號(hào)檢測(cè)帶寬和峰化現(xiàn)象[15]。

1.2 二級(jí)放大電路

二級(jí)放大電路主要用于將前級(jí)ADA4350轉(zhuǎn)換得到的電壓進(jìn)行放大后，傳輸至監(jiān)控端的檢測(cè)儀器（示波器），因此應(yīng)采用高速電流反饋運(yùn)放，且需具有一定的線路驅(qū)動(dòng)能力（長(zhǎng)線連接）。本級(jí)電路選用LINEAR TECHNOLOGY公司電流反饋運(yùn)算放大器LT1227構(gòu)成，沒(méi)有電壓反饋運(yùn)算放大器的增益帶寬積問(wèn)題，典型帶寬為140ΜHz，壓擺率1100V/μs，具體電路如圖4所示。由于電流反饋型運(yùn)算放大器帶寬和通帶平坦度受反饋電阻RF影響較大，一般根據(jù)手冊(cè)推薦選擇。本級(jí)信號(hào)增益為10倍，RF2=510Ω，輸出電壓VOUT為：

圖4 LT1227構(gòu)成的第二級(jí)放大電路

當(dāng)輸入電流IIN= 0.001× sin( 2 ×π× 107×t)時(shí)，參照公式（5）計(jì)算本級(jí)電路壓擺率最低為130V/μs，小于1100V/μs，確保了大信號(hào)時(shí)輸出信號(hào)不失真。同時(shí)根據(jù)手冊(cè)，510Ω時(shí)通帶平坦(<0.5dB)帶寬>60ΜHz，也滿足小信號(hào)帶寬要求。

同時(shí)，為對(duì)電路失調(diào)進(jìn)行修正，采用RN1、RN2和RN3構(gòu)成了電路失調(diào)補(bǔ)償電路，可用于消除系統(tǒng)級(jí)的零點(diǎn)漂移修正。輸出阻抗通過(guò)RS1作50Ω系統(tǒng)阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)線傳輸[15]。

1.3 精密電源調(diào)理電路

檢測(cè)電路的供電電源需經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線傳輸后給檢測(cè)單元電路供電，各電纜長(zhǎng)度不一、接頭阻抗等不一致等都可導(dǎo)致器件的供電電壓的波動(dòng)；同時(shí)不同的供電電源的不同輸出特性（電源輸出紋波等）也會(huì)導(dǎo)致電路檢測(cè)能力、信噪比等變差。因此必須對(duì)輸入的電源進(jìn)行預(yù)先處理以適用于精密檢測(cè)電路。

在電源處理電路中，本電路選擇Texas Instruments的TPS7A4701和TPS7A33兩款低壓差線性穩(wěn)壓(LDO)電路分別作為正負(fù)電源的調(diào)理電路。此系列電源電路適用于高精度精密電路，如功率運(yùn)算放大器、ADC、DAC以及其他高性能模擬電路。輸入電壓可達(dá)±36V，輸出1A，動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)快，具有極低的輸出噪聲和較高的紋波抑制能力，可作為DC/DC電路的后級(jí)使用。本電路設(shè)計(jì)輸出電壓為±5V，允許的遠(yuǎn)端輸入電壓范圍為±7V到±12V，輸出紋波小于0.1mVRΜS。

由于供電經(jīng)過(guò)長(zhǎng)線傳輸，供電電源的輸出阻抗會(huì)增大，降低了負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的能力，因此電路在LDO的輸入和輸出級(jí)各增加了一枚47μF的陶瓷電容，以降低線電感并抑制外部干擾。對(duì)于連接電纜過(guò)程中可能出現(xiàn)連接錯(cuò)誤的情況或瞬態(tài)強(qiáng)電干擾等情況，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)LDO的輸入電源進(jìn)行了防反接保護(hù)和TVS防護(hù)處理，可避免異常連接時(shí)損壞裝置。為防止過(guò)載等情況，輸入級(jí)還增加了1A的熔斷器，進(jìn)一步降低裝置的在現(xiàn)場(chǎng)使用損壞的風(fēng)險(xiǎn)，原理圖如圖5所示。

圖5 精密電源調(diào)理電路

1.4 印制板與內(nèi)部屏蔽罩設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路將直接放置在輻照等復(fù)雜環(huán)境內(nèi)工作，為降低長(zhǎng)線傳輸或輻照等現(xiàn)場(chǎng)引入的其他干擾對(duì)內(nèi)部的檢測(cè)電路造成影響，導(dǎo)致檢測(cè)質(zhì)量下降，因此就需要對(duì)電路的關(guān)鍵部位進(jìn)行屏蔽處理。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)信號(hào)檢測(cè)單元和電源調(diào)理單元采用分體式屏蔽罩進(jìn)行屏蔽，以方便后續(xù)維護(hù)，如圖6中電路單元的外框部分。同時(shí)，針對(duì)測(cè)量與供電接口，為提高檢測(cè)質(zhì)量均采用了SΜA連接器進(jìn)行連接。

圖6

2 電路測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)檢測(cè)電路采用電流源進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試直流檢測(cè)精度如表1所示。

表1 檢測(cè)電路直流信號(hào)檢測(cè)精度

圖7 不同輸入信號(hào)下輸出響應(yīng)

測(cè)試在幅度為100Hz、100kHz、10ΜHz正弦電流和2ΜHz的方波電流的響應(yīng)，檢測(cè)結(jié)果如下(輸出端通過(guò)30米長(zhǎng)的50Ω同軸電纜連接至示波器通道1進(jìn)行測(cè)試，通道1采用50Ω輸入阻抗)。

綜上，檢測(cè)電路在直流檢測(cè)精度、檢測(cè)信號(hào)帶寬以及脈沖響應(yīng)等方面均到設(shè)計(jì)要求，完全滿足使用條件。

3 結(jié)論

針對(duì)遠(yuǎn)端的高速小電流檢測(cè)的需求，相關(guān)的直接檢測(cè)設(shè)備較少，且有諸多使用限制，而達(dá)到1ΜHz以上檢測(cè)帶寬的檢測(cè)設(shè)備更少。本電路通過(guò)合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了較寬帶寬的微安級(jí)弱電流檢測(cè)，具有抗干擾能力強(qiáng)，零共模檢測(cè)電壓，零插入阻抗，高帶寬范圍、長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可適用于各種類型的在線輻照、限制空間等檢測(cè)環(huán)境中。