肖索源

（西安交通大學(xué) 物理學(xué)院，陜西西安，710049）

0 引言

在材料測(cè)試、傳感器、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科研研究與工程應(yīng)用中，微電流的測(cè)量有其重要地位[1～3]。尤其近年來，物聯(lián)網(wǎng)的興起，超低功耗超低電流的測(cè)量需求與技術(shù)探討日趨增多[4～10]，普通的數(shù)字萬用表一般測(cè)量不了納安級(jí)別的電流，而數(shù)字源表或者高精度的臺(tái)式萬用表一般較貴，不便普及。本文介紹一款低成本直流微納電流計(jì)的設(shè)計(jì)與制作方法。實(shí)際測(cè)試表明，該直流微納電流計(jì)測(cè)量精度可以達(dá)到1nA。

1 測(cè)量原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■1.1 測(cè)量原理

測(cè)量直流微弱電流一種常用的方法是利用傳感器將電流信號(hào)變換為直流電壓信號(hào)，然后通過直流電壓的數(shù)字化測(cè)量值計(jì)算獲得直流微弱電流的測(cè)量值[4～6]。傳感器通常可以采用一個(gè)高精度的采樣電阻來完成。由歐姆定律可知：

式(1)中直流電壓V 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 獲得數(shù)字化測(cè)量值，然后通過此公式計(jì)算就得到了微電流的測(cè)量值。

■1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

直流微納電流計(jì)主要包括I/V 變換和直流電壓測(cè)量?jī)蓚€(gè)部分。對(duì)于I/V 變換，我們使用了跨阻放大器完成I/V 變換。對(duì)于直流電壓測(cè)量，我們直接采用高精度數(shù)字電壓表頭進(jìn)行直流電壓的數(shù)字化測(cè)量與顯示。同時(shí)為了方便測(cè)量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)和便攜式使用，我們還輔助設(shè)計(jì)了一個(gè)可調(diào)恒流源和電池供電單元。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 為直流微納電流計(jì)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理模塊、A/D 及顯示模塊、電源模塊以及可調(diào)恒流源模塊4 個(gè)部分構(gòu)成。信號(hào)調(diào)理模塊是系統(tǒng)的核心，它將待測(cè)的電流信號(hào)調(diào)理成A/D 采集所能接受的電壓信號(hào)并通過顯示器顯示測(cè)量結(jié)果。可調(diào)恒流源模塊用于在對(duì)設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)提供信號(hào)源。電源模塊主要將電池供電的電壓轉(zhuǎn)換為各模塊所需的工作電壓或參考電壓。

2 電路設(shè)計(jì)與仿真

■2.1 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)與仿真

圖2 為采用Multisim 設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電路原理圖及其仿真結(jié)果的展示。圖2 的上半部分為±5V 雙電源的穩(wěn)壓電路，采用了兩片LDO 芯片AMS1117-5（U4、U5）來實(shí)現(xiàn)±5V電壓的輸出。圖2 中探針PR1 和PR2 的仿真結(jié)果（黃色方框）顯示分別為5.00V 和-5.00V，達(dá)到設(shè)計(jì)所需。

圖2 的下半部分電路采用了兩顆LM336BZ-2.5 穩(wěn)壓管（U6、U7）實(shí)現(xiàn)±2.5V 的雙精密參考電壓源。[11]該輸出用作恒流源和校準(zhǔn)電路的參考電壓源。

■2.2 恒流源電路的設(shè)計(jì)

圖3 為通過電位器自由調(diào)節(jié)輸出電流大小的恒流源電源電路圖。R10 抽頭處的電壓即正比與輸出的電流，J2 是檔位開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電路±1μA 與±100nA 兩個(gè)檔位的切換。

圖3 可調(diào)恒流源電路原理圖

圖3 中，U1B 作為電壓跟隨器，所以U1B 的輸出電壓為其輸入電壓Ub，所以U1A 的同相輸入電壓U+ 等于電位器抽頭得到的輸入電壓Ui 與Ub 的平均值，即U+=(Ui+Ub)/2。由運(yùn)放“虛短”可知U+=U-，所以得到U1A 的輸出電壓Ua=2U-=2U+=Ui+Ub，故可得到流經(jīng)R4的電流為：

由(2)式可見流經(jīng)R4 的電流僅由Ui 和R4 確定，R4固定后與Ui 成正比。而由運(yùn)放的高輸入阻抗特性可知，I 就為輸出的電流，并由Ui 線性調(diào)節(jié)其大?。ㄕ{(diào)節(jié)電位器R10），這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可調(diào)節(jié)的恒流源。此處運(yùn)放選了一顆德州儀器的高精密低功耗雙運(yùn)放OPA2277[12]。

■2.3 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與仿真

圖4 為本裝置的核心部分，對(duì)微電流輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出為大的電壓信號(hào)的電路原理圖。開關(guān)J4 用于控制恒流源電路的輸出連接到測(cè)量電路的輸入的通斷，通上則方便直接測(cè)量恒流源的輸出；J3 為SMA 輸入接口，用于從板外接入待測(cè)信號(hào)。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

信號(hào)調(diào)理電路由前級(jí)跨阻放大電路、中間的RC 低通濾波器和后級(jí)校準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電路三級(jí)構(gòu)成。待測(cè)電流首先通入左側(cè)的運(yùn)算放大器U2 搭建的跨阻放大電路，通過1MΩ 的采樣電阻R6 產(chǎn)生正比于待測(cè)電流的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過低通濾波器和反向加法放大器調(diào)理后，其輸出電壓與待測(cè)電流的關(guān)系為1mV/nA。此處選擇了Intersil 公司的低失調(diào)斬波穩(wěn)零高精度運(yùn)算放大器ICL7650[13]。

在圖4 的J3 處我們可以加一電流源進(jìn)行激勵(lì)，通過直流掃描仿真獲得其仿真結(jié)果如圖5 所示。其中圖5(a)是pA 級(jí)微小信號(hào)的仿真情況，圖5(b)是裝置設(shè)計(jì)的全量程(-2μA ～ 2μA)信號(hào)的仿真情況?？梢钥闯鲈撾娐酚蟹浅：玫木€性度，數(shù)字化測(cè)量后可以不需要進(jìn)行非線性校準(zhǔn)。

圖5 信號(hào)調(diào)理電路的直流掃描仿真結(jié)果

■2.4 全裝置電路原理圖

圖6 為直流微電流表電路板上完整的電路原理圖，使用NI Multisim 14.0 繪制。系統(tǒng)采用雙9V 層疊電池供電，J5、J6 為連接電池的接口；J8 為連接電壓表模塊的接口。J1、J3 可以用于接出恒流源的輸出和接入待測(cè)的電流。

圖6 全裝置電路原理圖

3 測(cè)量裝置的制作與測(cè)試

■3.1 裝置的制作與校準(zhǔn)

使用NI Ultiboard 14.0設(shè)計(jì)的PCB版圖如圖7所示。使用了1.6mm 的雙層板，尺 寸 約 為96mm×72mm，線寬約為1mm，四角有固定用的定位孔。

圖7 直流微電流表的PCB 設(shè)計(jì)版圖

圖8 給出了一張電路板焊接裝配后正常工作時(shí)的實(shí)物照片。

圖8 直流微電流表的實(shí)物照片

直流微電流表使用前需要校準(zhǔn)。裝置電路板上有兩個(gè)用于校準(zhǔn)時(shí)調(diào)節(jié)的電位器。其中一個(gè)調(diào)節(jié)通過加法器與待測(cè)信號(hào)相加的恒定電壓信號(hào)的大小，用于抵消輸出的直流偏置；另一個(gè)調(diào)節(jié)同相放大器的放大倍數(shù)，用于確保輸出的放大比例和真實(shí)電流信號(hào)一致。我們采用了泰克2450 數(shù)字源表來對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。該源表在1μA 量程模式下的輸出電流源分辨率為50pA，測(cè)量分辨率為1pA，遠(yuǎn)超我們微納電流計(jì)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

■3.2 裝置的測(cè)試與精度

表1 是將我們?cè)O(shè)計(jì)的微納電流計(jì)與泰克2450 數(shù)字源表的進(jìn)行對(duì)比測(cè)試的數(shù)據(jù)表。

表1 微納電流計(jì)與泰克數(shù)字源表的對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)表

表1 的讀數(shù)欄是直流微納電流計(jì)的讀數(shù)，誤差是電流計(jì)讀數(shù)與數(shù)字源表的輸出值之間的誤差量。從表1 測(cè)試結(jié)果可以知道，直流微電流表的整體誤差基本控制在0.03%±0.4nA 之內(nèi)。

4 總結(jié)

本文介紹了一款低成本的直流微電流表的設(shè)計(jì)與制作過程。該電流表采用高精度低噪聲的大采樣電阻和斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放實(shí)現(xiàn)了跨阻放大器電路設(shè)計(jì)，避免了共模輸入干擾。測(cè)量系統(tǒng)具有高線性度，采用了工業(yè)數(shù)字電壓顯示表頭顯示結(jié)果，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)也大幅提高了穩(wěn)定性與可靠度。測(cè)試結(jié)果表明該裝置達(dá)到納安級(jí)的電流測(cè)量精度。