[发明专利]100pA-1μA量程的微弱电流源

说明书

技术领域

 本发明涉及一种数控宽量程电流源， 特别是一种在100pA-1μA量程的微弱压控电流源。

背景技术

 微弱电流源在许多研发和产品测量应用中是关键的仪器，尤其是在半导体、纳米技术和超导体等方面有着广泛的应用。电流源主要有电容式、电阻式、电离式三种，对于电阻式电流源而言，尽管电流源的电路形式各种各样，但是其电路思想基本一样，通过电阻，采用电压-电流变换将标准的电压信号变换成与之成比例的电流信号，在输入电压不变的情况下，变换得到的电流也恒定。这种方式简单，实现方便，但由于恒流源的应用电路中负载的阻抗不确定，而负载对恒流源的影响是非常大的，特别是在精度高的场合，这一问题更加突出。

为了解决这一问题，出现了一种基于反馈思想的技术方案，图1所示即是一种此类恒流源电路，参考电压V_ref送入运算放大器的同向输入端，运放的输出端接负载，电流采样电阻R将输出端的电流转换为电压，进入运放的反向输入端构成负反馈。设运算放大器是个理想的, 其开环增益足够大,即两输入端的电位近似相等。同时设运算放大器的输入基极电流I_B=0；则由运算放大器的性质，可得

    V_ref=V_out=I_loadR                    （1）

即在V_ref不变的情况下，流过负载R_Load的电流I_Load与R有关，从而实现了电流的恒定输出。

然而，图1所示的恒流源电路存在两个问题：

（1）运放反向输入端的偏置电流和失调电压会影响电路的精度，尤其是对于微安级及以下的电路影响很大；

（2）在此电路中，负载没有共地。由于在地线上串入了电阻，流入地电平的电流将在取样电阻上产生电压，此电压将以地电平噪声的形式出现在系统的所有地节点上，这样将严重影响电路的精度。

因此，这一类恒流源的输出电流在mA级以上，并不能用于进行微弱电流的输出。

发明内容

 本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的缺陷和不足，提供一种100pA-1μA量程的微弱电流源，其可解决现有电流源电路的缺点，消除负载对输出电流的影响，克服现有电流源输出电流范围小的缺点，实现电流100pA-1μA量程可调的微弱电流输出。

本发明为解决上述技术问题，采用的技术方案是：

一种100pA-1μA量程的微弱电流源，包括控制单元、显示单元、输入单元、D/A转换单元、基准电压源、差动放大单元、电压电流变换单元和负反馈单元，其中，控制单元的输入端连接用于输入预置电流值的输入单元，输出端连接显示单元，并将预置电流值送入显示单元进行显示；控制单元的输出端还连接D/A转换单元的输入端，将输入单元输入的电流值模拟量转换为数字量，并送入D/A转换单元；D/A转换单元将来自控制单元的预置电流值数字量转换为模拟量，送入差动放大单元的输入端，所述的D/A转换单元的输入端还连接基准电压源，借助基准电压源实现与控制单元的输入量的比较；差动放大单元的输出端连接电压电流变换单元的输入端，电压电流变换单元的输入端还连接控制单元，通过控制电压电流变换单元来实现多量程的电流转换，而电压电流变换单元的输出端经由负反馈单元连接差动放大单元的输入端，将输出电压与预置电压进行叠加。

采用上述方案后，本发明可消除负载对电流的影响，电路中噪声和漏电流对输出电流的影响得到减弱，同时，等效内阻可达2.5×10¹⁴Ω。

附图说明

 图1是现有恒流源电路的连接图；

图2是本发明的整体架构图；

图3是本发明中控制单元的电路实例图；

图4是本发明中微弱电流产生单元的内部电路图；

图5是图4的等效内阻电路图；

图6是标准电压在1V时，电阻与输出电流的对应关系图；

图7是1nA-10nA时电流实际与理论输出的关系图。

具体实施方式

 以下将结合附图及具体实施例，对本发明的结构及工作原理进行详细说明。

如图2所示，本发明提供一种100pA-1μA量程的微弱电流源，包括控制单元1、显示单元2、输入单元3、D/A转换单元4、基准电压源5、差动放大单元6、电压电流变换单元7和负反馈单元8，下面分别介绍。