一种微弱电流检测电路及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电流检测领域，具体涉及一种微弱电流检测电路及方法。
【背景技术】
[0002] 现有的微弱电流检测一般是采用电流取样法，即通过特制的精密取样电阻，将电 流信号转变成电压取样信号，电压取样信号和基准电压进行比较运算，通过运算放大器进 行反馈控制，从而达到电流检测功能。
[0003] 随着检测电流的减小，运算放大器的输入阻抗对被检测电流的影响就会增大，严 重影响电流检测精度。对于半导体分析仪等尖端产品，电流检测灵敏度要求往往高达nA级， 甚至高达PA级，采用传统的电流检测方法，不仅检测的精度低，甚至无法进行电流检测。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种微弱电流检测电路及方 法，设计合理，克服了现有技术的不足，测量精度高。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种微弱电流检测电路，包括输入级放大电路、中级放大电路、输出级放大电路， 所述输入级放大电路包括由结型场效应管对管组成的对管差分放大电路;所述中级放大电 路采用两组具有同相输入形式的比例运算放大电路;所述输出级放大电路采用差分运算放 大电路；
[0007] 所述输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号;所述中级放 大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大;所述输出级放大电路再将比例运算 放大后的电压信号进行差分运算放大，最后对对差分运算放大电压值进行测量。
[0008] 所述输入级放大电路主要采用结型场效应管对管组成的差分放大电路，可提高输 入阻抗，获得较高的共模抑制比，降低输入偏置电流，从而有效地提高运算放大电路检测微 弱电流信号的灵敏度；
[0009] 所述中级放大电路为同相输入方式比例运算放大电路，采用同相输入方式，实现 较大增益的信号放大，同时进一步提高电路输入阻抗；
[0010] 所述输出级放大电路为差分运算放大电路，可有效解决有用信号微弱而共模干扰 相对$父尚的矛盾，实现检测电路的尚增益、尚输入电阻和尚共t旲抑制比，提尚测量灵敏度， 扩展测量范围，提高测量结果可靠性。
[0011]优选地，所述的输入级放大电路还包括漏极电流调整电路和工作点设置电路，所 述漏极电流调整电路用于调整对管差分放大电路的漏极电流，所述工作点设置电路用于确 定对管差分放大电路中的工作点;所述漏极电流调整电路和工作点设置电路分别通过线路 和对管差分放大电路连接。
[0012]优选地，所述漏极电流调整电路采用高精度配对电阻，便于调整对管差分放大电 路的漏极电流的一致性。
[0013] 优选地，所述中级放大电路的电路结构采用对称形式，外围电阻采用高精密电阻， 使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，可提高电路的测量精度；
[0014] 优选地，该微弱电流检测电路还包括增益控制反馈电路，该部分电路用于控制微 弱电流检测电路的反馈系数及相位补偿，扩展了电流测量范围，并进一步提高了测量精度。
[0015] 优选地，所述漏极电流调整电路包括第一可调电阻和漏极电阻，漏极电阻采用配 对电阻；第一可调电阻的其中一个引出端与VCC的电源电压相连，第一可调电阻相对的两引 出端分别连接至漏极电阻中配对电阻的一端；
[0016] 所述工作点设置电路包括第三结型场效应管、第四电阻、第五电阻和第六电阻;第 四电阻的一端接地，第四电阻的另一端和第五电阻的一端组成公共端连接至第三结型场效 应管的栅极，第五电阻的另一端和第六电阻的一端组成公共端连接至Vee的电源电压，第六 电阻的另一端连接至第三结型场效应管的源极。
[0017] 优选地，所述对管差分放大电路包括第一结型场效应管、第二结型场效应管、第二 电阻、第三电阻和第二可调电阻;第二电阻的一端连接至第一结型场效应管的栅极，第三电 阻的一端连接至第二结型场效应管的栅极，第三电阻的另一端接地，第二可调电阻相对的 两引出端跨接至第一结型场效应管的源极和第二结型场效应管的源极之间，第一结型场效 应管的漏极和第二结型场效应管的漏极分别连接至漏极电阻中配对电阻的另一端，第二可 调电阻的另一引出端连接至第三结型场效应管的漏极。
[0018] 优选地，所述中级放大电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第十二电阻、 第十三电阻和第三可调电阻;第一运算放大器的同相输入端和第二运算放大器的同相输入 端分别连接至第一结型场效应管的漏极和第二结型场效应管的漏极，第十二电阻跨接至第 一运算放大器的反相输入端和其输出端之间，第十三电阻跨接至第二运算放大器的反相输 入端和其输出端之间，第三可调电阻相对的两引出端跨接至第一运算放大器的反相输入端 和第二运算放大器的反相输入端之间，第三可调电阻的另一引出端连接至第二运算放大器 的反相输入端。
[0019] 优选地，差分运算放大电路包括第三运算放大器、第十四电阻、第十五电阻、第十 六电阻和第十七电阻;第十四电阻的一端连接至第一运算放大器的输出端，第十四电阻的 另一端和第十六电阻的一端组成公共端连接至第三运算放大器的反相输入端，第十六电阻 的另一端连接至第三运算放大器的输出端，第十五电阻的一端连接至第二运算放大器的输 出端，第十五电阻的另一端和第十七电阻的一端组成公共端连接至第三运算放大器的同相 输入端，第十七电阻的另一端接地。
[0020] 优选地，所述增益控制反馈电路包括第七电阻、第八电阻和继电器，第七电阻的一 端和第二电阻的另一端连接至Is的电流源的一端，Is的电流源的另一端接地，第七电阻的另 一端和第八电阻连接至继电器的一端，第八电阻的另一端和继电器的另一端组成公共端连 接至第三运算放大器的输出端。
[0021] 本发明微弱电流检测电路的原理是：
[0022] 在微弱电流测量时，低噪声是输入级放大电路设计的关键，这一级的噪声大小直 接决定了整个运放的噪声特性，场效应管的噪声比双极晶体管小，结型场效应管噪声系数 更低，因此输入级采用结型场效应管作为差分输入结构，同时，结型场效应管具有很高的直 流输入电阻R CS，所以整个电路的开环差模输入电阻高达1011~1014Ω，有效地提高了输入电 阻。此外，采用对管还可以获得较高的共模抑制比，结型场效应管工作时，它的PN结上加的 是反相电压，栅极电流基本上为零，所以电路的输入偏置电流可小到l〇_n~1〇_12Α。高输入 阻抗使被测微弱电流几乎完全通过反馈电阻，而通过放大器内阻的电流几乎为零，使测量 更准确。
[0023] 由于输入级放大电路的噪声要求严格，不可能兼顾很高的增益，因此在中间放大 级采用集成运放接成比例运算结构来提高整个电路的增益，从而尽可能放大被测微弱电流 信号。同时，采用同相输入方式，使得电路输入阻抗进一步提高。电路结构采用对称形式，外 围电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压及失调电流等互相抵消，提高电路的测 量精度，否则电路的放大倍数、共模抑制比和精度等会明显降低。
[0024] 输出级放大电路采取运放差分放大检测技术，有效解决了有用信号微弱而共模干 扰相对$父尚的矛盾，实现检测电路的尚增益、尚输入电阻和尚共t旲抑制比。
[0025] 此外，本发明还提到一种微弱电流检测方法，该方法采用上述的一种微弱电流检 测电路，按照如下步骤进行：
[0026] 步骤1:通过输入级放大电路进行I-V转换，将微弱电流信号转换成电压信号；
[0027 ]步骤2:通过中级放大电路将转换后的电压信号进行初步的比例运算放大；
[0028] 步骤3:通过输出级放大电路将比例运算放大后的电压信号进行差分运算放大，得 到差分运算放大电压值；
[0029] 步骤4:对差分运算放大电压值进行测量。
[0030] 本发明所带来的有益技术效果：