微弱电流测量的运算放大器

微弱电流测量的运算放大器

要实现弱电压的计算矩阵，必须满足以下条件：高输入阻力抗ri、高增加、高共模比、低位移电流i、低噪声、低失业压和低位移。采用场效应管差动输入级的运算放大器其输入阻抗可达1012Ω或更高。但是并非所有的高输入阻抗的运算放大器都适合做微弱电流放大器,不仅要从参数上进行比较挑选,还要通过实际测量考核进行比较挑选。反馈电阻的选择至少应比输入阻抗小2～3个数量级。此外,阻容件的选择也很重要,电阻应选噪声低的金属膜电阻;电容应选低噪声的瓷介、云母和钽电容。反馈电阻两端并联一个小电容有助于平滑电阻中因自由电子不规则运动引起的热燥声。2简化测量电路测量微弱电流的应用还比较广泛,因此,对它的研究也比较多。一个完整的微弱电流放大器应包括I/V转换、电压放大、量程转换与微调、极性转换、输出限幅、V/F变换等单元。但在实际应用中,应结合具体情况,使测量电路尽可能地简化,以达到简单、适用、稳定、可靠的目的。例如,图2是对负高压供电、负电流输出的电离室单级电流放大的测量电路。选取合适的但又不是足够大的反馈电阻就可得到可观测的输出电压。测量电路中省去了电压放大、极性转换等单元。简化电路的目的是减少噪声源。该电路具有较高的稳定性,瞬态稳定性好于2.5‰。测量电路采取以下措施来提高性能。2.1滤波器电容阻值的确定仪器各单元的直流供电一般是公用的。为了稳定各单元的工作、减小各单元电路之间通过公共直流电源产生的寄生耦合、防止产生振荡和干扰,往往要在每个单元的正负电源端串加RC退耦滤波节,如图2中R1C1和R2C2。滤波电阻阻值的选取要适当,阻值大退耦滤波效果好,但由于其上的电压降会降低器件的供电电压,从而影响动态范围和输出。根据器件的工作电流和输出最大值或额定值来确定阻值。通常取器件的工作电压比输出额定值高2～5V,在这样的动态范围内不致影响线性关系。滤波电容通常采用几十到几百微法电解电容。由于大电容本身存在电感,对快变化的电流脉冲滤波效果并不理想,因此在大容量电容上有时再并上一个或两个小容量电容。例如滤波电容取100μF、0.1μF和100PF,这样可对低频、中频和高频均有较好的滤波效果。2.2同相端平衡电阻被测微弱电流通常从运算放大器的反相端输入,而同相端对地接一平衡电阻。理论上,该电阻阻值应等于反馈电阻RF与微弱电流源内阻的并联值。但由于电流源的内阻很大且随被测物的变化而变化,因此,同相端这个平衡电阻很难达到平衡作用,同时这个阻值很大的平衡电阻也会增加电路噪声。在实际应用中,去掉平衡电阻,将同相端直接接地,测量电路的瞬态稳定性比有平衡电阻时更好。2.3运算放大器输出电压减少降低运算放大器的功耗可从两个方面考虑。一是降低运算放大器的供电电压,如前所述,增加退耦滤波电阻,使加到运算放大器上的供电电压比额定输出电压高2～5V;二是减小输出电流,运算放大器的输出电流包括驱动下一级的(真)负载电流和本级部分反馈的(假)负载电流。如果电路采用部分负反馈,可增大这个反馈支路的负载电阻,使其工作电流小于或等于1mA。运算放大器的功耗降低了,其工作温度也就降低了,从而减小了温度漂移;降低工作温度,也会有效控制偏置电流的变化,从而可提高微弱电流测量的灵敏度和准确度。2.4存在的干扰作用反馈电容CF并联在反馈电阻RF上,起积分作用,有抑制或平滑噪声干扰的作用。CF越大,抑制噪声的能力就越强,但是也增大了输入时间常数,即增大了响应时间,降低了测量的速度。在实际应用中,在保证响应速度的条件下,适当增大反馈电容对电路的瞬时稳定性是很有好处的。2.5利用内镜滤波在输出端加上π型或Γ型滤波节,如图2中的C3R3C4π型滤波,可抑制或平滑偶然的尖峰噪声的扰动。增加这个滤波节对测量的响应速度影响不大,但会增加运算放大器的输出阻抗,因此,滤波电阻的阻值不能大。2.6分压比改变的输出大小反馈电阻由输出端改接到输出端对地的分压器上,实现了部分反馈。如图3改变分压比R4/R5可改变输出大小。这样可降低反馈电阻并避免了使用高值反馈电阻带来的麻烦。这种方法也可称做T型网络方法。3工艺结构的考虑3.1刷电路的设计要求为了提高测量微弱电流的精度和准确度,应采用绝缘强度高、漏电流小的印刷电路板,如环氧玻璃板,其漏电流小于pA(10-12)数量级。印刷电路的绘制要尽量合理,I/V变换部分的工作电流要最后经地线流回电源,避免其它单元较大的电流在I/V变换部分接地点之间产生较大电位差;I/V变换部分的运算放大器及其外接阻容件应就近安放,各接地点尽量相靠近;运算放大器及其周围应大面积敷铜,并与电源单点接地;运算放大器的反相和同相输入端应用接地屏蔽环将其包围起来,使其等电位,保证它们之间不产生漏电流。电路板上的地线或电源线不得构成闭合回路。3.2信号电缆离线路的设计微弱电流输入信号线应采用高绝缘、低噪声的屏蔽电缆线,屏蔽电缆的屏蔽层要单端接地,输入信号电缆应尽量远离电源线并且要尽量短,输入信号电缆应尽量避免振动、扭曲等机械变形,防止因压电效应和摩擦生电效应而产生干扰。在可能的条件下,可将I/V变换部分与电离室装在一起,将反相端上的元件汇集直接焊到电离室收集极上,这是最好的选择,这可避免因电缆绝缘不良产生漏电流而降低输入阻抗。也可减小分布电容的影响,还可减小干扰。3.3联动密封保护因数,发生密封电路板焊好调试后应进行清洁处理,清除残留杂质及金属屑,然后再做干燥防潮处理,可进行局部或全部密封处理,尤其是反馈电阻更应密封、防潮、防光照、防电磁干扰,为此,可将整个微弱电流放大器用金属盒屏蔽起来。4所处的环节处理不到位以上提高微弱电流放大器性能的各项措施,在理论上和实践上,都是非常必要的。但对其中任何一项措施都不一定是绝对的显著有效,因为提高性能是一个综合性的问题,涉及到各个环节。但是,如果某一环节处理不当,其它环节处理再好,则对整体性能的影响可能会是显著的。为了实现高性能的微弱电流放大,必须进行综合考虑,处理好各方面的问题。在核物理实验与核测量仪表中,经常会遇到将微弱电流放大的问题。微弱电流放大器的性能指标主要包括信号噪声比、灵敏度、线性稳定性、温度漂移等。1反馈电阻的影响微弱电流的测量通常是借助于高输入阻抗运算放大器采用I/V变换的方法来实现。测量原理电路如图1所示。被测电流Is来自内阻很大的微电流信号源,如电离室输出电流。对于输入阻抗和放大倍数均为无穷大的理想运算放大器,可以认为运算放大器输入端的偏置电流IB对被测电流IS的分流近似等于零,这样流过反馈电阻RF的电流IF近似等于被测电流IS。再考虑到极性关系,运算放大器的输出电压V0=-ISRF。由此可以看出,即使被测电流很小,只要反馈电阻取值足够大,仍可得到较大的可观测的输出电压。为了提高微弱电流测量的灵敏度,首先考到的是增大反馈电阻。但是增大反馈电阻要到运算放大器输入阻抗的限制,运算放大器的输入阻抗并非理想的无穷大。当反馈电阻增大到足够大时,偏置电流IB对被测电流IS的分流作用变得不可忽视,此时V0=-(IS-IB)RF,当IB≥IS时,便破坏了I/V变换方法的基础。第二过大的反馈电阻其电阻精度低、稳定性差、噪声也大。第三采用过大的