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pA電流放大電路

發(fā)布時間:2023-01-17 來源:TsinghuaJoking 責任編輯:wenwei

【導讀】卓老師,您好,想請教您一個問題,我正在diy一個pA數(shù)據(jù)采集器 ,使用的是ADA4530,想要測量50pA~100pA左右的電流 ,寬想在10KHz,測試過程中發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象無法理解。


01 問題提出


今天凌晨看到公眾號后臺有位同學提出一個問題,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,想請教您一個問題,我正在diy一個pA數(shù)據(jù)采集器 ,使用的是ADA4530,想要測量50pA~100pA左右的電流 ,寬想在10KHz,測試過程中發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象無法理解。


8.jpg

圖1.1 放大電路板的正面照片


1671104452748326.png

圖1.2 放大電路LTspice仿真電路圖


10.jpg

圖1.3 電路的幅頻響應(yīng)曲線


1671104435506808.png

圖1.4 電路的供電電源部分


使用不同頻率正弦信號,輸出有一段被放大太多,然后再衰減 ,這個4KHz到14KHz的輸出幅值,我不知道什么原因?qū)е拢胝埥棠鷰臀抑更c一下方向。


02 問題分析


一、提問分析與假設(shè)

??

由于上述問題是在微信公眾號后臺提出的,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,所以只能對一些測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 仿真軟件測量得到的;

●   測量信號是由電路中Vin1輸入,測量結(jié)果是由Out4獲得;


二、電路分析

??

實驗電路的組成應(yīng)該是包括兩部分,前面由ADA4077組成的電壓并聯(lián)負反饋信號處理部分,以及后面有ADA4053組成的 I/V 信號轉(zhuǎn)換與放大部分。


1、信號輸入轉(zhuǎn)換電路

??

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


12.jpg

圖2.2.1 輸入信號轉(zhuǎn)換部分


該電路前向放大部分是一個低通,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  


13.png


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


14.png


下面是在LTspice中搭建的仿真電路,并測量它的小信號的幅頻特性。


1671104384543174.png

圖2.2.2 LTspice仿真電路


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


16.jpg

圖2.2.3 LTspice 仿真結(jié)果


2、電流電壓轉(zhuǎn)換電路

??

下面是原來電路信號放大部分,它主要有三級放大組成:


●   第一級是由高阻輸入U2:ADA4530完成電流至電壓的轉(zhuǎn)換。這是一個最大增益為10倍的高通濾波器;

●   第二級是由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。


1671104356859686.png圖2.2.4 電路的放大部分


下面是在LTspice中搭建的仿真電路。


1671104342211213.png

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對應(yīng)的高通轉(zhuǎn)折頻率,大約為15.9kHz;

●   運放ADA4540,ADA4077等帶寬限制了高頻的增益;


1671104327122823.png

圖2.2.6 電路的幅頻特性


3、全電路幅頻特性

??

將上面兩個電路串聯(lián)在一起,在LTspice進行仿真。


1671104312548971.png

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每倍頻速度所導致。盡管前級信號放大在高頻是衰減的,但整體幅頻特性是上升的。


1671101848691280.png

圖2.2.8 電路的頻率特性


總結(jié)

??

本文對公眾號后臺一款DIY皮安電流放大電路進行了分析。這個問題原本是同學提出的,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,這個電路是一個電壓并聯(lián)帶通放大電路。無法產(chǎn)生給定恒流測試信號;

后級電流轉(zhuǎn)換電路則是一個高通電路,原則上應(yīng)該設(shè)計RC對應(yīng)的頻率來補償電路運放的高頻特性不足。但仿真結(jié)果無法給出實際器件的放大特性。


來源:TsinghuaJoking,卓晴



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