微電流測量放大電路的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種微電流測量放大電路，其包括運(yùn)算放大器A1，以及一端與所述運(yùn)算放大器A1的反相輸入端相連且另一端與所述運(yùn)算放大器的輸出端相連的反饋電阻器R1；還包括與所述運(yùn)算放大器A1的同相輸入端連接的電壓補(bǔ)償電路，與所述運(yùn)算放大器A1的輸出端連接的測量電路，以及與所述反饋電阻器R1并聯(lián)的微電流開關(guān)電路。本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案能夠方便地對微電流測量電路的輸入端壓降進(jìn)行補(bǔ)償，甚至是輸入端未懸空的情況下也可以進(jìn)行，該補(bǔ)償過程還可以自動完成無需人工干預(yù)，方便簡單。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及微電流測量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種微電流測量放大電路。 微電流測量放大電路

【背景技術(shù)】
[0002] 量值低于luA的微小電流一般稱為"微電流"，在射線探測、材料分析和納米技術(shù) 等領(lǐng)域中，需要檢測的微電流甚至達(dá)到PA量級。通常以具有超低輸入偏置電流的運(yùn)算放大 器為核心，通過高值電阻器搭建I-V轉(zhuǎn)換電路，將微電流轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號進(jìn)行測量， 原理如圖1所示。在圖1中，運(yùn)算放大器的同相輸入端（圖1中的" + "端)接地，反相輸入端 (圖1中的端）作為微電流的輸入端，運(yùn)算放大器的輸出電壓為VOTT = -I · R。
[0003] 理想運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端處于"虛短路"狀態(tài)，其電勢差為零。 因此，理論上微電流測量放大電路的輸入端壓降為零。但實(shí)際運(yùn)算放大器的參數(shù)不可能達(dá) 到理想化，放大器的差分輸入級難以做到完全對稱；通常在輸入為零時，存在一定的輸出電 壓，該電壓稱為"輸入失調(diào)電壓" VM。VM可以等效成一個與運(yùn)算放大器反相輸入端串聯(lián)的 電壓源。電流表的輸入電阻越小對被測電路的影響越小。V ra使微電流測量放大電路的輸 入端存在一個電壓降，當(dāng)被測的微電流流經(jīng)這樣的儀表時，使得微電流測量放大電路表現(xiàn) 出一定的輸入電阻。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 基于此，為解決上述的微電流測量運(yùn)算放大器輸入端壓降不為零的問題，本實(shí)用 新型提出一種微電流測量放大電路。
[0005] 其技術(shù)方案如下：
[0006] -種微電流測量放大電路，包括運(yùn)算放大器Ai，以及一端與所述運(yùn)算放大器Ai的 反相輸入端相連且另一端與所述運(yùn)算放大器的輸出端相連的反饋電阻器& ;還包括與所述 運(yùn)算放大器4的同相輸入端連接的電壓補(bǔ)償電路，與所述運(yùn)算放大器&的輸出端連接的測 量電路，以及與所述反饋電阻器&并聯(lián)的微電流開關(guān)電路。
[0007] 微電流運(yùn)算放大器的vra -般為lmV量級，通過補(bǔ)償電路可以修正VM的影響，使微 電流輸入端壓降盡可能地接近零電位。進(jìn)行微電流輸入端壓降補(bǔ)償前，微電流開關(guān)電路閉 合，與微電流運(yùn)算放大器4并聯(lián)的反饋電阻器&相當(dāng)于被短路，同時使電壓補(bǔ)償電路的輸 出電壓為零，則通過測量電路可以直接測量出微電流運(yùn)算放大器4的輸入端電壓，然后使 電壓補(bǔ)償電路輸出一個量值相同、極性相反的補(bǔ)償電壓，從而使運(yùn)算放大器4的輸入端壓 降為零，此補(bǔ)償過程可在人工操作下完成。V ra會隨著時間和溫度等因素發(fā)生變化，但通過 設(shè)計(jì)這種微電流開關(guān)電路，可在不需要人工干預(yù)的情況下實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償。
[0008] 下面對其進(jìn)一步技術(shù)方案進(jìn)行說明：
[0009] 優(yōu)選的是，所述微電流開關(guān)電路包括具有高絕緣電阻特性的干簧管繼電器Si，所 述干簧管繼電器Si與所述反饋電阻器Ri并聯(lián)。通過閉合干簧管繼電器Si，可對反饋電阻器 札形成短路。
[0010] 優(yōu)選的是，所述微電流開關(guān)電路包括一端電阻r12，基極與所述電阻r12另一端連接 的三級管Qi，所述三級管Qi發(fā)射極接地，正極與所述三級管Qi集電極連接的二極管Di，所 述電源與所述二極管極連接，所述干簧管繼電器Si-端與所述電源連接且另一端與所 述二極管Di正極連接。主控制器可使干簧管繼電器Si與三極管％集電極和電源導(dǎo)通或斷 開，以實(shí)現(xiàn)干簧管繼電器3 1的閉合或斷開，可對反饋電阻器&形成短路，以方便利用電壓補(bǔ) 償電路對電路電壓進(jìn)行補(bǔ)償。
[0011] 優(yōu)選的是，還包括主控制器，所述主控制器分別與所述微電流開關(guān)電路、測量電路 以及電壓補(bǔ)償電路連接。主控制器利用其現(xiàn)有的功能，通過與微電流開關(guān)電路、測量電路以 及電壓補(bǔ)償電路的連接對它們進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償。
[0012] 優(yōu)選的是，所述測量電路包括一端與所述運(yùn)算放大器4輸出端連接的電阻R4，與 所述電阻r 4另一端連接的電阻r6，以及與所述電阻r6并聯(lián)的運(yùn)算放大器a2，所述運(yùn)算放大 器4的輸出端與所述電阻R 6的一端連接，所述運(yùn)算放大器A2的反相輸入端與電阻R6的另 一端連接；與所述運(yùn)算放大器A 2的同相輸入端連接的電阻R5和電阻R7，所述電阻R5另一端 接地，以及與所述電阻R 7另一端連接的A/D轉(zhuǎn)換器Ui，所述A/D轉(zhuǎn)換器Ui與所述主控制器 連接，所述運(yùn)算放大器A2的輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器仏連接；所述電阻R 7的另一端還連接有基 準(zhǔn)電壓芯片U2，所述基準(zhǔn)電壓芯片U2與電源連接。
[0013] 優(yōu)選的是，所述電壓補(bǔ)償電路包括一端與所述運(yùn)算放大器Ai的同相輸入端連接的 電阻r 2，與所述電阻r2另一端連接的電阻r8，以及與所述電阻r8并聯(lián)的運(yùn)算放大器a 3，所述 運(yùn)算放大器A3的輸出端與所述電阻R8的一端連接，所述運(yùn)算放大器A 3的反相輸入端與電 阻R8的另一端連接；與所述運(yùn)算放大器A3的同相輸入端連接的電阻R 1(l和電阻Rn，所述電 阻Rn另一端接地，以及與所述電阻R 1(l另一端連接的D/A轉(zhuǎn)換器U3，所述D/A轉(zhuǎn)換器U3與 所述主控制器連接；與所述運(yùn)算放大器A 3的同相輸入端連接的電阻R9，所述電阻R9另一端 與所述D/A轉(zhuǎn)換器U 3連接。
[0014] 本實(shí)用新型具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：能夠?qū)ξ㈦娏鳒y量放大器輸入端壓降進(jìn)行補(bǔ) 償，使微電流輸入端壓降盡可能地接近零電位，該補(bǔ)償操作可以由微電流測量儀表自動完 成，無需人工參與。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是傳統(tǒng)技術(shù)中所用的微電流測量放大電路示意圖；
[0016] 圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中所述的微電流測量放大電路示意圖；
[0017] 圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中所述的微電流測量放大電路詳細(xì)示意圖。
[0018] 附圖標(biāo)記說明：
[0019] 100-微電流開關(guān)電路，200-反饋電阻器，300-運(yùn)算放大器'400-電壓補(bǔ)償電路， 500-測量電路，600-主控制器。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021] 如圖2至圖3所示，一種微電流測量放大電路，包括運(yùn)算放大器& (300)，以及一 端與運(yùn)算放大器4 (300)的反相輸入端相連且另一端與運(yùn)算放大器Ai (300)的輸出端相 連的反饋電阻器札（200)，此處該反饋電阻器Ri的阻值為10GQ，適合測量IpA?ΙΟΟρΑ的 微電流；還包括與運(yùn)算放大器4 (300)的同相輸入端連接的電壓補(bǔ)償電路400,與運(yùn)算放大 器心（300)的輸出端連接的測量電路500,以及與反饋電阻器& (200)并聯(lián)的微電流開關(guān) 電路100,此處選擇運(yùn)算放大器4型號為AD549L ;還包括主控制器600,該主控制器600分 別與微電流開關(guān)電路100、測量電路500以及電壓補(bǔ)償電路400連接。本實(shí)用新型所述的微 電流測量放大電路可在微電流測量儀表中應(yīng)用，還可應(yīng)用于其他儀器儀表中。
[0022] 微電流運(yùn)算放大器的Vra -般為lmV量級，通過電壓補(bǔ)償電路400可以修正Vra的 影響，使微電流輸入端壓降盡可能地接近零電位。進(jìn)行微電流輸入端壓降補(bǔ)償前，微電流開 關(guān)電路100閉合，與微電流運(yùn)算放大器4并聯(lián)的反饋電阻器&相當(dāng)于被短路，同時使電壓 補(bǔ)償電路400的輸出電壓為零，則通過測量電路500可以直接測量出微電流運(yùn)算放大器Ai 的輸入端電壓，然后使電壓補(bǔ)償電路400輸出一個量值相同、極性相反的補(bǔ)償電壓，從而使 運(yùn)算放大器Ai的輸入端壓降為零。即使V ra會隨著時間和溫度等因素發(fā)生變化，但是主控 制器600也可根據(jù)已有的功能對微電流開關(guān)電路100、測量電路500以及電壓補(bǔ)償電路400 進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償，不需要操作人員定期地進(jìn)行手動補(bǔ)償。
[0023] 該微電流測量放大電路中的微電流開關(guān)電路100,包括一端與主控制器600連接 的電阻R 12，該電阻R12阻值為2ΚΩ ;還包括基極與電阻R12另一端連接的三級管％，此處選 擇的三級管％型號為9014,該三級管％發(fā)射極接地；還包括與三級管％集電極連接的二極 管〇 1，此處選擇的二極管Di型號為1N4001，以及與該二極管仏負(fù)極連接的電源，該電源選 擇的電壓為+5V ;還包括一端與電源連接且另一端與所述二極管Di正極連接的具有高絕緣 電阻特性的干簧管繼電器Si，此處采用的干簧管繼電器Si型號為C0T0-2204-05。通過已有 的技術(shù)方式，主控制器600可使三極管％集電極和電源導(dǎo)通或斷開，以實(shí)現(xiàn)干簧管繼電器Si 閉合或斷開，從而對反饋電阻器&形成短路，以方便電壓補(bǔ)償電路對輸入端壓降進(jìn)行補(bǔ)償。 該干簧管繼電器Si包括真空玻璃管，設(shè)置在真空玻璃管中的一對分離的磁簧片，以及設(shè)置 在該對磁簧片附近的線圈，該線圈一端與電源連接且另一端與二極管〇 1正極連接。干簧管 繼電器Si的線圈導(dǎo)通時，線圈帶電產(chǎn)生磁場，在磁場力的作用下該對磁簧片相互吸引而連 接在一起，從而實(shí)現(xiàn)干簧管繼電器Si的導(dǎo)通；而電路斷開時，線圈不產(chǎn)生磁場，該對磁簧片 在自身彈力的作用下分開。
[0024] 該微電流測量放大電路中的測量電路500,包括一端與運(yùn)算放大器&輸出端連接 的電阻r 4，與電阻&另一端連接的電阻r6，以及與電阻r6并聯(lián)的運(yùn)算放大器A 2，該運(yùn)算放大 器4的輸出端與電阻&的一端連接，該運(yùn)算放大器4的反相輸入端與電阻R6的另一端連 接；與該運(yùn)算放大器A 2的同相輸入端連接的電阻R5和電阻R7，電阻R5另一端接地，以及與 電阻R 7另一端連接的A/D轉(zhuǎn)換器Ui，該A/D轉(zhuǎn)換器Ui與主控制器連接，該運(yùn)算放大器A2的 輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器仏連接，且該A/D轉(zhuǎn)換器A與電源連接，此處選擇電源的電壓為+5V， 另外該A/D轉(zhuǎn)換器仏還連接有晶振Yi，此處選擇晶振Yi的頻率為2MHz ;電阻R7的另一端 還連接有基準(zhǔn)電壓芯片U2，該基準(zhǔn)電壓芯片U2與電源連接，此處選擇電源的電壓為+5V。這 里，選擇電阻1? 4、1?5、1?6、1?7的阻值分別為11(〇、11(〇、5101(〇、5101(〇 ;而且運(yùn)算放大器4選 擇型號為AD8639,其中A/D轉(zhuǎn)換器仏、基準(zhǔn)電壓芯片U2分別選擇型號為AD7705、MAX6162A。 上述各種電子元器件的具體數(shù)值和型號可根實(shí)際據(jù)需求情況（即電路的設(shè)計(jì)功能情況）進(jìn) 行選擇，并不限制于此。此外，還可采用其他電子元器件組成相似的測量電路，以實(shí)現(xiàn)同樣 的測量功能。
[0025] 該微電流測量放大電路中的電壓補(bǔ)償電路400,包括一端與運(yùn)算放大器&的同相 輸入端連接的電阻R 2和電阻R3，電阻R3另一端接地；還包括與電阻R2另一端連接的電阻R 8， 以及與電阻R8并聯(lián)的運(yùn)算放大器A3，該運(yùn)算放大器A3的輸出端與電阻R 8的一端連接，該運(yùn) 算放大器^的反相輸入端與電阻R8的另一端連接；還包括與該運(yùn)算放大器^的同相輸入 端連接的電阻R 1(l和電阻Rn，電阻Rn另一端接地；以及與電阻R1(l另一端連接的D/A轉(zhuǎn)換器 U3，該D/A轉(zhuǎn)換器U3與主控制器連接，并且在電阻R1(l與D/A轉(zhuǎn)換器U 3之間連接有電源，此處 選擇電源的電壓為+5V ;還包括一端與該運(yùn)算放大器A3的同相輸入端連接的電阻R9，電阻R9 另一端與D/A轉(zhuǎn)換器U3連接。這里，選擇電阻R2、R3、R8、R 9、R1(l、Rn的阻值分別為100ΚΩ、 IK Ω、10K Ω、125K Ω、250K Ω、9. 61K Ω ;而且運(yùn)算放大器A3選擇型號為AD8639, D/A轉(zhuǎn)換器 U3選擇型號為DAC7571。上述各種電子元器件的具體數(shù)值和型號可根實(shí)際據(jù)需求情況（即 電路的設(shè)計(jì)功能情況）進(jìn)行選擇，并不限制于此。此外，還可采用其他電子元器件組成相似 的電壓補(bǔ)償電路，以實(shí)現(xiàn)同樣的電壓補(bǔ)償功能。
[0026] 在測量電路500中，運(yùn)算放大器A2構(gòu)成的信號放大電路將運(yùn)算放大器Ai的輸出電 壓放大510倍，并偏置到基準(zhǔn)電壓芯片U 2輸出的2. 048V上。16位A/D轉(zhuǎn)換器仏對運(yùn)算放 大器A2構(gòu)成的信號放大電路的輸出電壓進(jìn)行測量，A/D轉(zhuǎn)換器A工作在差分測量模式，得 至IJ運(yùn)算放大器4的輸出電壓V A1 (即VIQ)。
[0027] 在電壓補(bǔ)償電路400中，通過12位D/A轉(zhuǎn)換器U3和運(yùn)算放大器A3產(chǎn)生的電壓范 圍是：-0. 2V?0. 2V，再通過R2和R3組成分壓比為101的分壓器，可以產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓范圍 是：-1. 98mV?1. 98mV。電壓補(bǔ)償電路的輸出電壓應(yīng)和運(yùn)算放大器Ai的VA1量值相同、極性 相反，可得到運(yùn)算放大器A 3的輸出電壓VA3。
[0028] 進(jìn)行輸入端壓降補(bǔ)償前，通過主控制器600使微電流開關(guān)電路100中的干簧管繼 電器&閉合，使電壓補(bǔ)償電路的運(yùn)算放大器A 3輸出電壓為零。主控制器通過測量電路中的 A/D轉(zhuǎn)換器仏對運(yùn)算放大器&的輸出電壓進(jìn)行測量，然后根據(jù)測量所得的輸出電壓利用電 壓補(bǔ)償電路進(jìn)行電壓補(bǔ)償。完成輸入端壓降補(bǔ)償后，主控制器使干簧管繼電器Si斷開。由 于干簧管繼電器Si具有很好的絕緣性能，斷開狀態(tài)下對反饋電阻器&的影響可以忽略。補(bǔ) 償過程中，由于干簧管繼電器Si處于閉合狀態(tài)，相當(dāng)于反饋電阻器&阻值為零，即使輸入端 有電流輸入，微電流放大器4的輸出端電壓也不會受到影響，因此并不要求輸入端必須懸 空。
[0029] 本實(shí)用新型提出的微電流測量放大電路，通過設(shè)計(jì)采用具有干簧管繼電器Si組成 的微電流開關(guān)電路100,以及相應(yīng)的測量電路500和電壓補(bǔ)償電路400,能夠方便地對微電 流測量電路的輸入端壓降進(jìn)行補(bǔ)償，甚至是輸入端未懸空的情況下也可以進(jìn)行，該補(bǔ)償過 程還可以自動完成無需人工干預(yù)，方便簡單。
[0030] 以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對本實(shí)用新型專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬 于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種微電流測量放大電路，其特征在于，包括運(yùn)算放大器Ai，以及一端與所述運(yùn)算放 大器4的反相輸入端相連且另一端與所述運(yùn)算放大器的輸出端相連的反饋電阻器& ;還包 括與所述運(yùn)算放大器4的同相輸入端連接的電壓補(bǔ)償電路，與所述運(yùn)算放大器&的輸出端 連接的測量電路，以及與所述反饋電阻器&并聯(lián)的微電流開關(guān)電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電流測量放大電路，其特征在于，所述微電流開關(guān)電路包 括具有高絕緣電阻特性的干簧管繼電器Si，所述干簧管繼電器Si與所述反饋電阻器札并 聯(lián)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微電流測量放大電路，其特征在于，還包括主控制器，所述主 控制器分別與所述微電流開關(guān)電路、測量電路以及電壓補(bǔ)償電路連接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微電流測量放大電路，其特征在于，所述測量電路包括一端 與所述運(yùn)算放大器4輸出端連接的電阻R4，與所述電阻R 4另一端連接的電阻R6，以及與所 述電阻R6并聯(lián)的運(yùn)算放大器A 2，所述運(yùn)算放大器A2的輸出端與所述電阻R6的一端連接，所 述運(yùn)算放大器A 2的反相輸入端與電阻R6的另一端連接；與所述運(yùn)算放大器A2的同相輸入 端連接的電阻R 5和電阻R7，所述電阻R5另一端接地，以及與所述電阻R7另一端連接的A/D 轉(zhuǎn)換器Α，所述A/D轉(zhuǎn)換器仏與所述主控制器連接，所述運(yùn)算放大器A2的輸出端與A/D轉(zhuǎn) 換器Α連接；所述電阻R 7的另一端還連接有基準(zhǔn)電壓芯片U2，所述基準(zhǔn)電壓芯片U2與電源 連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微電流測量放大電路，其特征在于，所述電壓補(bǔ)償電路包括 一端與所述運(yùn)算放大器4的同相輸入端連接的電阻R 2，與所述電阻R2另一端連接的電阻 R8，以及與所述電阻R8并聯(lián)的運(yùn)算放大器A3，所述運(yùn)算放大器A 3的輸出端與所述電阻R8的 一端連接，所述運(yùn)算放大器A3的反相輸入端與電阻R 8的另一端連接；與所述運(yùn)算放大器A3 的同相輸入端連接的電阻R1(l和電阻Rn，所述電阻Rn另一端接地，以及與所述電阻R 1(l另一 端連接的D/A轉(zhuǎn)換器U3，所述D/A轉(zhuǎn)換器U3與所述主控制器連接；與所述運(yùn)算放大器A 3的 同相輸入端連接的電阻R9，所述電阻R9另一端與所述D/A轉(zhuǎn)換器U 3連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微電流測量放大電路，其特征在于，所述微電流開關(guān)電路包 括一端與所述主控制器連接的電阻R12，基極與所述電阻R 12另一端連接的三級管％，所述三 級管％發(fā)射極接地，正極與所述三級管％集電極連接的二極管Di，所述電源與所述二極管 Di負(fù)極連接，所述干簧管繼電器Si -端與所述電源連接且另一端與所述二極管Di正極連接 的。
【文檔編號】G05F1/46GK203849632SQ201420195152
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】陳志雄, 魏武, 農(nóng)冠勇 申請人:工業(yè)和信息化部電子第五研究所