[发明专利]一种pA-μA量程的微弱电流放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种电流放大器，特别是一种在pA-μA量程的低频微弱电流放大器。

背景技术

微弱电流的测量在航天、核工业、生命科学等领域有着极其广泛的应用。在航天领域，如卫星、飞船等航天器的宇宙空间环境模拟试验，宇航员环境适应性试验和其它试验中真空度的测量，航天器在太空受辐射后要逸出电子，表面聚集电荷产生泄漏电流，航天器表面带电的研究等，都需要微电流的测量；在核工业领域，如核辐射探测器和辐射剂量中，需测量电离室的电离电流；在生命科学和生物电化学方面广泛使用微电流分析仪器也都需要测量微电流。这些电流的范围通常在10^-5-10^-16A之间。微电流测量的准确度和分辨率越高，与其相关的各种非电流测试水平越高。因此，新的微电流测量技术对这些量的测量起着重要作用。

微弱电流的测量通常采用电流-电压转换的方法，并取得了一定的精度。通常电流放大器的前级电路由结型场效应管或绝缘栅场效应管组成的差动电路构成，但由于栅源绝缘电阻高，场效应管其夹断电压U_GS和最大漏极电流不稳定，零点很难调节，这就使测量的稳定性差[见参考文献：一种微电流放大器的设计与探讨广西物理1999]。另外，还有使用高输入阻抗的静电计管测量微电流，但是，静电计管存在寿命短、体积大、供电复杂、预热时间长、零点和满刻度校正烦琐的缺点。

发明内容

本发明的主要目的，在于克服上面微电流测量技术的不足，提供一种抗干扰能力强、零点易调、实现简单、测量速度快、体积小，并且能够实现pA-uA量程的微电流测量的放大器。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种pA-uA量程的微电流放大器，包括输入电路、电流-电压转换电路、调零电路、电压线性放大电路、低通滤波器电路、增益控制电路和电源电路组成。其中电流-电压转换电路的输入端与输入电路相连，输出端与电压线性放大电路相连，同时，电流-电压转换电路还连接有调零电路和增益控制电路，电压线性放大电路的输出端连接低通滤波电路，其后连有输出电路。

被测电流输入采用聚四氟乙烯接线柱的方法，浮空，消除电路板泄漏对输入电流的影响；在电流-电压转换电路的反馈电阻两端并联电容，消除高值电阻热噪声对转换电压的影响；低通滤波电路消除了高频率的噪声干扰的影响；调零电路消除了直流误差源(主要是运算放大器的失调电压)对转换电压的影响；在电流电压转换电路中采用集成的单芯片静电计运算放大器，克服了现有技术中选用配对场效应管的困难。

采用上述技术方案后，本发明可提供一种抗干扰能力强、噪声小、实现简单、可靠性高、测量速度快，并且能够在大范围内测量的微弱低频信号的微电流放大器。

附图说明

图1为本发明微电流放大器的结构图；

图2为本发明的微电流放大器电路图；

图3为本发明改变反馈电阻的电流-电压转换的原理示意图；

图4为本发明中电压线性放大电路的原理图；

图5为本发明中低通滤波电路的原理图；

图6为本发明实施例中输入电流在10^-10-10^-9A时，放大器实际输出电压与理论输出电压的关系图。

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1所示，本发明提供的一种pA-uA量程的微电流放大器包括电流-电压转换电路1、调零电路2、输入电路3、电压线性放大电路4、低通滤波电路5、增益控制电路6、输出电路7和电源电路8组成。电流-电压转换电路1由静电计运算放大器、电子开关和不同阻值的反馈电阻构成，其输入端与输入电路相连，同时电流-电压转换电路1还接有调零电路2和增益控制电路6，通过增益控制6来选择不同的反馈电阻，实现不同被测电流转换成与之成比例的电压信号，电流-电压转换电路1的输出端接有电压线性放大电路4，实现将转换的电压信号进一步放大，提升微电流测量电路的灵敏度，同时增益控制其电压的放大倍数；最后电压线性放大电路4的输出端接低通滤波电路5，将电压信号进行滤波，滤去频率高于被测信号的噪声和干扰。最后，送到输出电路7进行电压输出。下面分别对各部分详细介绍。