OPAⅢ集成运放在微弱电流信号测量中的应用

２０１１芷　赣南师范学院学报　Ｎｏ．６　第六期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇａｎｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｄｅｃ．２０ｌ１　・光子学与光子技术・　ＯＰＡ　ｍ集成运放　在微弱电流信号测量中的应用　曾祥志　，李　明　（１．赣南师范学院物理与电子信息学院，江西赣州３４１０００；２．南昌大学附属中学，南昌３３００４７）　摘　要：针对实验研究中物理、化学材料的电性能测试，分析微弱电流测量的方法，提出一种基于ＯＰＡｌｌＩ运算　放大器的微弱电流信号测量电路的设计，使其能配合数据采集卡对阻抗较大的材料进行电性能的测试．　关键词：微弱电流测量；Ｉ－Ｖ转换；运算放大器　中图分类号：ＴＮ７２２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—８３３２（２０１１）Ｏ６—００４５一Ｏ３　０　弓ｌ言　在实验研究中经常要对阻抗较大的材料进行电性能的测量，即通过对材料加一扫描电压测出电流的变　化情况．因被测材料阻抗大，所以电流往往很微弱，弱电流测量比较常见且可靠的方法是通过Ｉ—Ｖ转换电路，　利用电阻采样将微弱的电流信号转化为电压信号，再将此电压信号进一步放大后进行记录分析…．要实现　这一过程就必须设计合适的Ｉ—Ｖ转换电路．虽然目前市场上有一些测量仪器可以用来放大微弱信号，但由　于价格昂贵而限制了它们的应用　．随着高性能集成运放的不断出现，使得将运放用于微弱信号检测成为　可能．运放的应用，大大简化了低噪声电路的设计、调试手续，并且综合性能好，特别在检测具有直流分量　的微弱信号以及超低频信号时，其优越性更为突出　．　本文提出一种将集成运放用于Ｉ．Ｖ转换电路，实现微弱电流信号的测量的思路，电路简单，效果良好．　１　电路原理　测量微弱电流信号最简单、最实用的方法就是采用Ｉ—Ｖ变换，即将电流信号转换为电压信号，然后利用　运放的“虚地”特性进行测量．　图１是由运放构成的Ｉ．Ｖ转换电路，其输出电压有以下关　系：　Ｖｏ　＝一Ｒ。（，。一，　）＋（Ｖ。　Ａ—　）／Ａ　（１）　因为运算放大器的增益Ａ很大，且输入失调电压Ｖ。　很小，　故（１）式可简化为　Ｖ＝一ｏ　Ｒ。（，。一，　）　（２）　选择合适的运算放大器使其输入阻抗远大于Ｒ。，则，　可忽　图１　集成运算放大器构成的Ｉ—Ｖ转换电路　略，（２）式可简化为　Ｖ＝一ｏ　Ｒ１，０　（３）　由（３）式可知，通过电路已经实现了Ｉ．ｖ转换…．　在采用放大器测量微弱电流时，为了获得较高的放大器增益，以使Ｉ－Ｖ变换后的结果落在易测量的范　围，Ｒ　必须取地很大．通常Ｒ　取值要到ＭＱ甚至ＧＱ量级，否则不易准确测量微弱电流．但若Ｒ。取值太　大，放大器的输入阻抗应更大，否则将对信号有很大的分流作用，从而加大输入偏置电流、失调电压和漂　收稿日期：２０１１—０５—２６　修回日期：２０１Ｉ一０９—２８　作者简介：曾祥志（１９８０一），男，赣南师范学院物理与电子信息学院教师，主要从事实验教学研究　４６　赣南师范学院学报　２０１１焦　移，以产生运算误差　．因此ＩＣ１选用ＯＰＡⅢ，其电压噪声密度为６　ｎＶ／（Ｈｚ）１／２，在０．１—１０　Ｈｚ电压噪声为　２．４　ｎＶｐ—Ｐ，电流噪声密度１．６　ｆＡ／（Ｈｚ）１／２，输入失调电压为２５０　Ｖ，输入失调电压温漂为１　ｓ／℃，输入偏　流为１　ｐＡ，压摆率为２　Ｖ／　ｓ　．由厂家提供的技术资料显示，ＯＰＡＩＩＩ电压漂移是经过激光修正的，在大多数　应用中都不需要作进一步的调整了．通常的ＦＥＴ运算放大器都需要外接限流电阻来保护他们的输入，防止　输入ＦＥＴ的输入跟衬底之间的绝缘二极管正偏时破坏性电流的涌入．大多数ＢＩＦＥＴ放大器都会因失掉负电　压（负电压减小）而损坏．与ＢＩＦＥＴ放大器不同的是，ＯＰＡ　１１１只有在输入的负电压大于一（ＶＣＣ＋６　Ｖ）时，需　要在输入端加限流电阻．在输入端串联一个１０　Ｋ的电阻就能够承受无电源供应时输入双ｌ５　Ｖ．静电破坏能　够导致放大器性能的细微变化．对于精密ＯＰＡＭＰ（双极型晶体管和场效应管）它能够导致电压漂移和ｄｒｉｔｆ　性能明显变差．建议在处理任何精密ＩＣ　ＯＰＡＭＰ时都启用静电保护措施．如果使用了大的反馈电阻，那么也　需要对他们进行屏蔽措施．ＰＣＢ的渗漏电流会轻易的超过了ＯＰＡｌｌＩ的偏流，为了解决这个问题，建议对ＯＰＡ　Ⅲ的信号输入脚使用特富龙支架，然后用导线跟ＰＣＢ连起来．如果ＯＰＡＩｌＩ需要被直接焊接到ＰＣＢ上面的时　候，那么就得尽量小心的布线．放大器的输入端的ｇｕａｒｄ需要跟第８脚连在一起，以确保放大器本身是完全　的被ｇｕａｒｄ包起来的，来最小化引入的渗漏和噪声．　如果将Ｒ，换成可控的电阻，电路的Ｉ—Ｖ转换比将随之改变，配合数据采集卡检测、控制，电路还能实现　量程的自动切换．　因数据采集卡输出模拟电压一般为±５　Ｖ，为提高测量范围，利用集成运算放大器三倍放大至±１５　Ｖ，然　后输出部分再还原，可使电压检测范围提高至±１５　Ｖ．　２　电路设计　电路的扫描电压范围为一１５　Ｖ＋ｌ５　Ｖ，电流量程０１００　ｕＡ．电流量程分为四档：０１００　ｎＡ；０１　ｕＡ；０１０　ｕＡ　及０１００　ｕＡ，各量程会根据被测材料的电阻及所加的扫描电压情况，通过Ｋｌ、Ｋ２两个干簧管继电器实现自动　检测变换，Ｉ．Ｖ转换部分电路原理图见图２．　图２　Ｉ—Ｖ转换电路　Ｒｘ为待测样品，作为Ｊｃ　的输入电阻，电流全部流过　表１　量程切换与电阻的关系　它，Ｒ　、Ｒ：、Ｒ　、Ｒ　及　、　：组成量程切换电路，其中Ｋ　、Ｋ　为干簧管继电器开关（继电器线圈部分图２未画出），受控　于数据采集卡．Ｖｉｎ的电压输入范围在一１５　Ｖ＋１５　Ｖ，输出　电压Ｖｏｕｔ的范围是一５　Ｖ＋５　Ｖ．　Ｒ　Ｒ　的组合与量程的关系如表１所示．　３结果与讨论　调试完成后，对电路进行了测试，先对某硅样品进行了测试，测试扫描电压范围为一０．５　Ｖ＋０．５　Ｖ，图３　为测试数据曲线．然后对１．６２　Ｍ的五色环精密电阻进行了测试，测试扫描电压范围为一１５　Ｖ＋１０　Ｖ，图４为　∞　∞　∞　０　∞　∞　∞　第６期　曾祥志，李　明　ＯＰＡⅢ集成运放在微弱电流信号测量中的应用　４７　测试数据曲线．从测试结果看，实验符合预期　－ｏ．６　・０．４　．ｏ．２　ｏ．ｏ　０．２　０．４　０．６Ｕｆ　图３　硅片样品的实验Ｉ—Ｖ曲线　图４　电阻测试实验Ｉ—Ｖ曲线　４　结束语　本文提出了一种基于ＯＰＡｌｌＩ运算放大器的微弱电流测量电路的设计，该电路已经在实验室完成调试，　经实际测试使用，效果良好．电路主要用于对一些物理、化学材料的电性能进行测试实验．　参考文献：　［１］　杨竹丰．高灵敏宽量程微电流计［Ｊ］．电子测量技术，２００４，（５）：５７—５８．　［２］宋浩威，杨凡源．微弱信号检测仪的研制［Ｊ］．分析仪器，２０００，（２）：２４—２６．　［３］　郑小林，彭承琳，郑尔信．集成运放在微弱信号检测中的应用［Ｊ］．电子技术应用，１９８８，（２）：３３—３５．　［４］魏立乾．辐射监测的微弱电流测量Ｉ—Ｖ转换技术［Ｊ］．仪器仪表与分析监测，２０１０，（３）：２８—３１．　［５］魏凡，杨沛，杨刚．基于ＬＴ１７９３放大器的传感器微弱信号检测［Ｊ］．电子元器件应用，２００８，（７）：１０—１２　［６］　胡诞康．微弱信号的测量［Ｊ］．电子质量，２００５，（５）：１—４．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｏｐ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ＯＰＡⅢ　ｉｎ　Ｗｅａｋ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ＺＥＮＧ　Ｘｉａｎｇｚｈｉ　，ＬＩ　Ｍｉｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇａｎｎａｎ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇａｎｚｈｏｕ　３４１０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ａｔｔａｃｈｅｄ　Ｍｉｄｄｌｅ　Ｓｃｈｏｏｌ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　３３００４７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｆｔｅｒ　ａｎ　ａｌｙｓｉｎｇ　ｗｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｔｉｅｓ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ａｎ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｔｈｉｓ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ；Ｉ－Ｖ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎａ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ