第３６卷２０１６年第８期 ８月 核电子学与探测技术 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．３６ Ｎｏ．８ Ａｕｇ． ２０１６ 新型微弱电流检测前置放大电路设计 胡红钱 ２，高奇峰 ，沈姗姗 （１．浙江工业职业技术学院，浙江绍兴３１２０００；２．上海海事大学电气自动化系，上海２０１３０５） 摘要：针对常规微弱电流测量电路输人信号范围窄和微弱电流信号容易淹没在背景噪声、元器件 固有噪声、电源噪声等干扰中而影响测量结果正确性问题，设计了一种新型微弱电流检测前置放大电 路。该设计在分析常规跨阻抗法、对数压缩法前置放大器优缺点的基础上，通过改进设计电路和增加开 关消噪电路，加宽了输入电流的测量范围、降低了检测系统的噪声影响、提高了检测速度。实验表明该 电路具有较强的噪声抑制能力和较高的检测精度，有一定的实用价值。 关键词：跨阻抗法；对数压缩法；开关差分消噪法；前置放大器 中图分类号：ＴＭ ９９３．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：０２５８＿０９３４（２０１６）８－０８４７－０５ 号转换为电压信号（Ｉ—Ｖ转换）并放大。另一 在环保、航空航天、生物医学、声纳探测、化 学物理、核工程、电磁等领域都涉及微弱电流检 测问题¨ Ｊ。比如在核辐射测量中，检测电流 方面，低噪声前置放大电路的固有失调、温漂噪 声以及外部的电源噪声、工频噪声、１／ｆ等都不 可避免影响能量等级相同甚至更低的微弱有用 的有效变化量通常在１Ｏ一～１Ｏ Ａ，有时可达 信号的提取，因此噪声抑制工作在微弱电流检 测的前置放大电路中非常重要。通常噪声抑制 到１０ Ａ【３ｊ。该等级的电流极易受到测量仪 表内元器件固有的噪声、温度漂移及外界干扰 等噪声的影响导致测量不正确，甚至完全淹没 在噪声中 Ｊ。另外，一般前置放大电路难以满 足从ｐＡ级到ｍＡ级如此宽输入范围的微弱电 流。因此，宽范围高精度微弱电流检钡０电路的 研究有重要的意义。 由单独电路完成，主要方法有：同步累计法【５】、 电压～频率法 ］、信号调制法【７】、锁相放大 法 、窄带滤波法。这些方法有的电路过于复 杂，实现不便；有的以牺牲部分有用信号或残留 部分噪声来提高信噪比。 本设计在分析了跨阻抗法前置放大器和对 数压缩法前置放大器优缺点的基础上，合理利 微弱电流检测电路由传感器、调理电路、模 数转换环节和控制系统等几部分组成。调理电 路环节主要包括Ｉ—Ｖ低噪声前置放大电路与 用两者优势设计了一种测量范围宽、速度快的 前置放大电路，以及利用开关差分消噪法完成 噪声抑制，提高测量精度的新型微弱电流检测 前置放大电路。 噪声抑制电路。Ｉ—Ｖ低噪声前置放大电路在 尽可能降低引入噪声情况下完成将微弱电流信 １ 微弱电流的前置放大器 收稿日期：２０１６—０６—１９ 基金项目：绍兴市公益性科研项目（２０１４Ｂ７００２１）资 助。 １．１前置放大器分类 微弱电流检测前置放大电路主要有两类， 一作者简介：胡红钱（１９８３一），男，浙江诸暨人，讲师， 在读博士生，研究方向为智能装备与检测技术。 类是Ｉ—Ｖ变换法，另一类是Ｉ—Ｆ变换法。 ８４７ 后者在稳定性和工作效率上不足 】，因此本设 计采用Ｉ—Ｖ变换实现前置放大。Ｉ—Ｖ变换法 又分电容积分法、跨阻抗法、对数压缩法。 电容积分法是根据噪声的随机特性——噪 声对时间积累均值趋于零的特性来降噪＿９】，但 时间长对电路的时间漂移不利，特别是运算放 大器的时间漂移影响大。 １．２跨阻抗法前置放大器 跨阻抗法工作原理如图１，属于电流反馈 式放大型电路。Ｉ 为输入微弱电流，Ｒ 为反馈 电阻，ｃ。为反馈电容，用于消除反馈电阻噪声与 自激振荡。该电路输出电压为Ｖ。＝一Ｉｉ ×Ｒ 。 当电流很小（ｐＡ级）时，Ｒ 需要很大（ＭＱ级）才 能达到测量要求。但是大电阻通常带来精度 低、稳定性差、易老化问题，且价格昂贵，更重要 的是电阻噪声变大，产生测量误差。根据约翰 逊噪声计算： ＝（４ｋ・Ｔ・Ｂ／ ） （１） 式中： 为绝对温度；ｋ为玻尔兹曼常数；Ｂ 为等效噪声带宽。在频率小于１００ Ｈｚ时，该噪 声成为干扰输入电流的主要噪声源。在ＭＱ级 时噪声电流可达ｐＡ级。 矗， 图１跨阻抗前置放大器 １．３对数压缩法前置放大器 跨阻抗法前置放大电路属于线性放大电 路，在输入ｍＡ级电流时，输出电压容易饱和。 在如辐射探测应用中，检测的电流是从“ｐＡ”级 到“ｍＡ”级跨几个量级的缓变小信号。为了适 应ｍＡ级输入检测电流，宜采用对数压缩法前 置放大电路。对数压缩法如图２所示。 图２对数压缩前置放大器 根据运算放大器的“虚短、虚断”原理可 得： ８４８ Ｖｏ＝一Ｕｒ・Ｚ （， ／Ｉｓ） （２） 式中：Ｕ，为二极管的结电压； 为二极管的 反向饱和电流。 由式（２）可知：该电路实现输入电流Ｉｉ 对 输出电压Ｖ。的对数压缩，使输出电压的测量范 围缩小，便于后级电路的信号处理。此外，该电 路中的二极管（或三极管基集）正向导通电阻 小，所以约翰逊噪声一般在ｎＶ级。但由于ＰＮ 结的存在，使得散弹噪声、１／ｆ噪声增加，且受 温度等干扰，影响信号的检测。此外，在控制器 中反对数运算还原检测电流的计算会增加系统 运算时间消耗。 １．４前置运算放大器噪声 运算放大器是构成跨阻抗法和对数压缩法 前置放大电路的核心器件。虽然可采用精密低 噪声放大器降低放大器固有噪声¨。。，但运算放 大器的输人阻抗总是有限的，失调和温漂等总 是存在的，共模抑制比和电源抑制比也不可能 无限大，因此即使精密低噪声运算放大器，其输 入失调电压也可达到 Ｖ级，失调电流可达几 十ｐＡ级。因此，在微弱电流检测中放大器固 有噪声的影响是不可忽略的。图３为实际的运 算放大器噪声模型。 图３运算放大器的噪声模型 图中 为失调电压， ＋为同相端输人偏 置电流， 一为反相端输入偏置电流，Ｒ，＝Ｒ ／／ Ｒ，为平衡电阻，用以抵消失调电压与失调电流。 由图可得失调误差： １＝ × 。。× ＋，ｆ６＋ ＋ × （３） 由于温漂的存在，可得失调误差： ＝（１＋ ）×（△ 一 ×△Ｊ『，Ｄ）（４） ＝ ＋ （５） 即在输入电流为零的情况下，输出电压 不为零，而且是温度的变化量。 以上分析可知：跨阻抗法属线变换，输入范 围窄，受反馈大电阻的影响大，但响应时间快； 对数压缩法是非线性变换，输入范围宽，受反馈 电阻影响小，但受温度影响大，对数（或反对 数）处理时间长，两者各有利弊。此外，无论是 跨阻抗法还是对数压缩法其主要部件——运算 放大器的固有噪声仍是影响微弱电流测量的重 要噪声。 ２宽范围低噪声前置放大器的设计 ２．１前置放大电路组成 本设计提出的宽范围、低噪声、快速测量前 置放大电路如图４所示。该电路主要有三部分 组成：跨阻抗测量电路、对数压缩测量电路、开 关差分消噪电路。 图４宽范围低噪声快速测量 前置放大电路图 ２．２跨阻抗测量电路 跨阻抗测量电路采用 构成的Ｔ 型反馈电阻网络，其输出电压为： Ｖｏ１＝一 ・（１＋ 『３）・ （６） 从式（６）可知，由小阻值高精度电阻可构 建等效大阻值Ｔ型反馈电阻。这样不但可降 低电阻热噪声，提高信噪比，而且小阻值电阻精 度高、老化慢，有利于长期稳定测量。此外，通 过合理设置Ｒｎ和选择温漂系数、失调系数小 的运算放大器Ａ。可进一步提高测量精度。虽 然Ｔ型反馈网络改善了反馈电阻的特性，但是 跨阻抗测量电路输人测量范围不够宽的问题依 旧存在。 ２．３对数压缩测量电路 对数压缩测量电路分包括Ｉ—Ｖ转换电路 Ａ 、Ａ 和差分放大电路Ａ 组成。Ｉ—Ｖ转换电 路由孪生ＭＯＳ管Ｔ。、Ｔ 反馈构成补偿电路，使 反向饱和电流Ｉ 噪声相互抵消。另外，ＭＯＳ管 的漏电流低，有利于ｐＡ级输入电流的测量。 Ｖ村与Ｒ ｆ构成恒流源。Ｒ３：Ｒ４＝Ｒ５：Ｒ 。设 Ｉ Ｂ】与Ｉ吐分别是Ｔ 与Ｔ：的饱和电流，则 Ｖ１＝ ｎ＝ＵｎＩｎ（ｔ ／Ｌ ） （７） １，ｉ，２ ・哮 ｎ （８） 所以： 一１２，２－－ＩＩ，１ 哮＝ＵｎＩｎ （９） 因为Ｕｎ＝Ｕ亿＝Ｕｒ， ＝ ，所以： ＝ｕ：一“ ＝ ｒ１ｎ 箍 ｒ１ｎ （１０） 从式（１０）可知：该电路实现对数压缩外， 使输出只号叵流源参数有关，而不受反向饱和 电流Ｉ。的影响，从而提高测量精度。虽然该电 路可实现数据对数压缩，但在反对数计算或指 数的泰勒级数展开近似反求Ｉ； 的过程会增加 处理器时间消耗或截断部分有用信号而造成误 差。 ２．４开关差分消噪部分 上述跨阻抗测量电路或对数压缩测量电路 虽然降低反馈电阻噪声或可采用低噪声的反馈 ＭＯＳ管，但是Ａｌ、Ａ３一Ａ５运算放大器固有噪 声的影响不可忽略。为了进一步消除这些噪声 的影响，设计了一个开关差分消噪电路。Ｖ 表 示前端输入的等效总噪声。 在开关Ｋ 断开，Ｋ 闭合时，输出电压为： 口 。＝ ＋ ＋Ｘ ＋ 一× ＋ × Ｒ（１１） ２ 在开关Ｋ。闭合，Ｋ２断开时，输出电压是： ｆ，ｏ＝ 。ｌ＋ ＋厶＋× ＋ × × 一（Ｋ，接通）或： ”： Ｄ２＋ｔＩ∞＋ 曲＋Ｘ Ｒｚ， 。＋ 一× ＋Ｖｎ× （ 接通） （１２） 由（１２）一（１１）得 ｖｏ＝Ｖｏ 或Ｖｏ＝Ｖｏ２ （１３） 由式（１３）可知，测量噪声经过开关差分消 ８４９ 噪后可基本消除运算放大器的失调及温漂等。 ２．５工作过程 本设计基于以上改进型跨阻抗和对数压缩 测量电路，通过控制器控制Ｋ 一 ，选择跨阻 抗测量电路或对数压缩测量电路进行前端，一 变换，通过控制 ～ 消除噪声，其过程如下： 微处理器选择 、 、 导通，测得 并判 断饱和度。如果 不饱和，则说明该被测电流 信号足够微弱，可采用跨阻抗法，快速得到测量 结果；如果 饱和，说明被测电流信号过大，需 要对数压缩测量。然后，由控制器接通 、 、 选择对数压缩法。由此可见，两种测量方法 的结合，既解决输入信号范围宽的问题，又可以 提高测量速度。开关 、 ：可采用高绝缘阻抗 （＞１０Ｈ ）、低漏电流的干簧管继电器作为导 通开关，并在控制端进行光电隔离。此外，对输 入信号线进行屏蔽、设计恒温控制电路自动温 度补偿等措施可进一步减小外界干扰噪声对微 弱电流测量的影响。 ３主要性能测试与讨论 ３．１ 电流输 输出测试 采用安源表作为标准电流源，对设计的新 型微弱电流检测前置放大电路系统进行测试。 测试波形图５为输入任意波形加噪后信号，图 ６为模数转换前端检测波形，测试结果如表ｌ。 由图５可知：有用信号淹没在噪声中。由图６ 可知：本设计电路能很好地消除运算放大器固 有噪声，取出有用信号。由表ｌ可知：该电路检 测出的微弱电流信号误差较小，精度较高。 图５输入任意波形加噪后信号 图６模数转换前端检测波形 ８５０ 表１测试结果 堕 堕 坠！ ： ： ： ！： ！ ： 测得电流／ｐＡ １００．０００ ５０．０００ ２０．００４ １１．００２ １０．００１ 相对误差／％ 一 一０．０２０ ０．０１８ ０．０１０ ３．２稳定性 １０ ｈ内每隔２ ｈ对１Ｏ ｐＡ和２Ｏ ｐＡ电流进 行５次数据测量，测试结果见表２。由表２可 知：该新型微弱电流检测前置放大电路有很好 的稳定度。 表２稳定性测试结果 ４ 结论 本设计通过合理选择接通改进的跨阻抗测 量电路或改进的对数压缩测量电路，在扩展输 入信号的输人范围情况下，尽可能提高了系统 测量速度；针对测量电路运算放大器存在的失 调、温漂等固有噪声采用开关差分进行消噪，设 计了一种新型的微弱电流前置放大电路。测试 表明：该电路具有较强的噪声抑制能力和较高 的检测精度。此外，该电路可用于核辐射检测、 光谱分析、地质检测等众多场合，具有较高的实 用价值。 参考文献： ［１］黄绍艳，刘敏波，唐本奇，等．光电耦合器的反应堆 中子辐射效应［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１１，２３（３）： ８０１—８０５． ［２］王晶，李斌康，阮林波，等．微弱电流高精度自动测 量系统［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１２，２４（８）：１９７５— １９７７． ［３］倪宁，肖雪夫，葛良全，等．微弱电流的Ｉ—Ｖ变换测 量方法研究［Ｊ］．核电子学与探测技术，２０１３，３３ （６）：６６５—６６９． ［４］刘俊，张斌珍．微弱信号检测技术［Ｍ］北京：电子 工业出版社，２００５． ［５］闰行．微弱电流信号检测系统的设计［Ｄ］．山西： 中北大学，２０１１． ［６］刘小明，彭静，刘涛．微弱电流测量中的Ｉ—Ｆ转换 电路的设计［Ｊ］．兰州交通大学学报，２０１１，３０（３）： ９９—１０２． ［９］史凯峰，董波，徐兆北．微弱电流检测技术分析 ［Ｊ］．山东工业技术，２０１４，（１５）：６—６． ［１０］胡勇，朱震君，史晓伦．一种用于生物传感器的微 电流检测系统［Ｊ］．仪表技术与传感器，１９９７，（６）： ３７—４２． ［７］姜利英，岳保磊，等．一种改进型微弱电流低噪声放 大应用电路［Ｊ］．郑州轻工业学院学报（自然科学 版），２０１５，３０（Ｚ１）：ｌ１８—１２２． ［８］闫行，朱荣．基于传感器微弱电流矢量检测电路的 设计［Ｊ］．自动化与仪表，２０１ｌ，２６（Ｉ）：１３一ｌ６． Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ Ｗｉｄｅ Ｒａｎｇｅ Ｗｅａｋ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｐｒｅａｍｐｌｉｉｆｅｒ Ｃｉｒｃｕｉｔ ＨＵ Ｈｏｎｇ—ｑｉａｎ ，ＧＡＯ Ｑｉ—ｆｅｎｇ ，ＳＨＥＮ Ｓｈａｎ—ｓｈａｎ （１．Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈａｏｘｉｎｇ Ｚｈｅｊｉａｎｇ ３１２０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｐｕｄｏｎｇ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１３０５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｄ ｅａｓｉｌｙ ｂｙ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ，ｎｏｉｓｅ ｉｎｈｅｒｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏ— ｎｅｎｔｓ，ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｓｏｍｅｔｉｍｅｓ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｕｓｅｆｕｌ ｓｉｇｎａｌ ｍａｙ ｂｅ ｓｕｂｍｅｒｇｅｄ ｉｎ ｔｈｅｍ，ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｕｔｃｏｍｅｓ ａｒｃ ｏｆｔｅｎ ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ．ａ ｎｅｗ ｗｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｐｒｅ— ａｍｐｌｉｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｆｒｃｕｉｔ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒａｎｓ—ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ， ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｒｅ ａｍｐｌｉｉｅｒ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｃｉｆｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｎｏｉｓｅ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｔ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｉｄｅｎｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ ０ｆ ｔ｝Ｉｅ ｉｎｐｕｔ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｎｏｉｓｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ，ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｉｎ ｗｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅ ｔｒａｎｓ—ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ；ｔｈｅ ｌｏｇａｒｉｔｈｍｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｅｎｏｉｓ－ ｉｎｇ；ｐｒｅａｍｐｌｆｅｒ ｉ８５１
