pA電流放大電路

卓老師，您好，想請(qǐng)教您一個(gè)問題，我正在diy一個(gè)pA數(shù)據(jù)采集器 ，使用的是ADA4530，想要測(cè)量50pA~100pA左右的電流 ，寬想在10KHz，測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象無法理解。

01 問題提出

今天凌晨看到公眾號(hào)后臺(tái)有位同學(xué)提出一個(gè)問題，關(guān)于他自己DIY制作的pA電路采集電路中遇到的奇怪現(xiàn)象。

卓老師，您好，想請(qǐng)教您一個(gè)問題，我正在diy一個(gè)pA數(shù)據(jù)采集器 ，使用的是ADA4530，想要測(cè)量50pA~100pA左右的電流 ，寬想在10KHz，測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象無法理解。

圖1.1 放大電路板的正面照片

圖1.2 放大電路LTspice仿真電路圖

圖1.3 電路的幅頻響應(yīng)曲線

圖1.4 電路的供電電源部分

使用不同頻率正弦信號(hào)，輸出有一段被放大太多，然后再衰減 ，這個(gè)4KHz到14KHz的輸出幅值，我不知道什么原因?qū)е?，想?qǐng)教您幫我指點(diǎn)一下方向。

02 問題分析

一、提問分析與假設(shè)

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由于上述問題是在微信公眾號(hào)后臺(tái)提出的，回復(fù)和討論都不是很方便。提出留言中給出的信息比較有限，所以只能對(duì)一些測(cè)量過程做如下的假設(shè)：

●   該電路所獲得的數(shù)據(jù)都是由LTspice 仿真軟件測(cè)量得到的；

●   測(cè)量信號(hào)是由電路中Vin1輸入，測(cè)量結(jié)果是由Out4獲得；

二、電路分析

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實(shí)驗(yàn)電路的組成應(yīng)該是包括兩部分，前面由ADA4077組成的電壓并聯(lián)負(fù)反饋信號(hào)處理部分，以及后面有ADA4053組成的 I/V 信號(hào)轉(zhuǎn)換與放大部分。

1、信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換電路

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前面由ADA4077組成的電路，它的輸入為電壓人員Vin，輸出為OUT。按照這個(gè)測(cè)試電路的功能來看這個(gè)電路應(yīng)該是用于產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的電路，也就是能夠輸出不同幅度的電流源。但這個(gè)電路屬于電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，即將輸出的電壓進(jìn)行積分反向放大后，經(jīng)過R4,R6 兩個(gè)電阻并聯(lián)在電路輸入端。這就無法達(dá)到輸出為恒流源的目的呀。

圖2.2.1 輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分

該電路前向放大部分是一個(gè)低通，反向積分又使得電路直流增益為0，所以它本質(zhì)上是一個(gè)帶通電路。

前向放大部分是由U3,U1組成的一階低通濾波同相放大器，它的截止頻率是由R8,C1決定，根據(jù)參數(shù)，截止頻率為  

電壓反向積分電路使得上述電路直流增益為0，對(duì)于交流放大的起始頻率是由R5,C6,C5,R7決定。粗略由R5，C6可是計(jì)算出電路的起始頻率  

下面是在LTspice中搭建的仿真電路，并測(cè)量它的小信號(hào)的幅頻特性。

圖2.2.2 LTspice仿真電路

仿真結(jié)果驗(yàn)證了上述電路是一個(gè)從 0.007Hz 到16Hz之間的帶通放大電路。

圖2.2.3 LTspice 仿真結(jié)果

2、電流電壓轉(zhuǎn)換電路

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下面是原來電路信號(hào)放大部分，它主要有三級(jí)放大組成：

●   第一級(jí)是由高阻輸入U(xiǎn)2:ADA4530完成電流至電壓的轉(zhuǎn)換。這是一個(gè)最大增益為10倍的高通濾波器；

●   第二級(jí)是由U6:ADA4077組成的高通濾波器，最大增益為3；轉(zhuǎn)換頻率由R11，R12,C4決定，大約為1.2kHz；

●   第三部分是由U5:ADA4077組成的100倍的反向放大電路。

圖2.2.4 電路的放大部分

下面是在LTspice中搭建的仿真電路。

圖2.2.5 LTspice電路仿真

下面是電路的幅頻特性?？梢钥吹皆?.2kHz之前電路放大倍數(shù)每倍頻6dB上升，超過1.2kHz之后電路放大倍數(shù)以大約12dB每倍頻上升，在18kHz左右增益達(dá)到最大。

超過18kHz電路增益下降的原因主要有以下兩部分組成：

●   由R3,C3確定了U2對(duì)應(yīng)的高通轉(zhuǎn)折頻率，大約為15.9kHz；

●   運(yùn)放ADA4540,ADA4077等帶寬限制了高頻的增益；

圖2.2.6 電路的幅頻特性

3、全電路幅頻特性

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將上面兩個(gè)電路串聯(lián)在一起，在LTspice進(jìn)行仿真。

圖2.2.7 全電路仿真

可以看到電路在超過1kHz之后，增益上升，這是由前面第二部分電路在高頻增益提升是12dB每倍頻速度所導(dǎo)致。盡管前級(jí)信號(hào)放大在高頻是衰減的，但整體幅頻特性是上升的。

圖2.2.8 電路的頻率特性

總結(jié)

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本文對(duì)公眾號(hào)后臺(tái)一款DIY皮安電流放大電路進(jìn)行了分析。這個(gè)問題原本是同學(xué)提出的，但他所提供的信息有限，所以只能就電路原理本身以及仿真結(jié)果進(jìn)行討論。從分析中來看：

電路的前一半似乎作為恒流源存在著原理上的問題，這個(gè)電路是一個(gè)電壓并聯(lián)帶通放大電路。無法產(chǎn)生給定恒流測(cè)試信號(hào)；

后級(jí)電流轉(zhuǎn)換電路則是一個(gè)高通電路，原則上應(yīng)該設(shè)計(jì)RC對(duì)應(yīng)的頻率來補(bǔ)償電路運(yùn)放的高頻特性不足。但仿真結(jié)果無法給出實(shí)際器件的放大特性。

來源：TsinghuaJoking，卓晴