直流微电流放大器的一种改进电路

１９９５燕　河北煤炭建筑工程学院学报　１９９５　第４期　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｂ￣ｉ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｎ０．４　牛　流微电流放大器的一种改进电路　塑　，｝　’７ａ　－７ａ　＾　（机电工程系）　二Ｉ　栖妻拳文叙述了用光电耦合器代替直流微电流放大器中的超高电阻负反馈部分，井对其　部分电路作了改进，使微电流放大器实现了高速化。文中给出了测量电路并进行了理论分　池　路　０弓ｌ言　直流徽电流放大器是各种微弱电量测量仪器的心脏。在撒电流检测中，当电流过于微　弱，还不具备检测条件时，唯一的办法是将信号通过放大器加以放大，使其具有处理的可能。　困而微电流放大器有着广泛的应用。从本质讲，微电流放大器是一个“电流一一电压’’转换　器。常用的直放式微电流放大器原理　如图Ｉ所示。其输出电压Ｖ。与输人电流Ｉ，关系如下　ＶＩＲ，　微电流放大器的主要研究内容是：漂移、噪声、线性、频率　响应、灵敏度以及高速化等　。其中对漂移、噪声、线性、灵　敏度等方面国内外已有不少学者进行了研究，但对于高速　化（即上升及下降时间减少）．国外学者虽有所研究　，　我国在这方面还未见报导，　所以本文将对高速化问题进　行分饥　对于图ｔ所示的ｔ／ｖ变换器，在理想条件（理想运放、　图１镦电流放大器袒图　理想安装技术及理想环境）下，从理论上讲是可以对任何量级的微电流进行放大的…。但由　于负反馈部分用的是超高电阻（约ｌ　Ｑ），园其两端间存在杂散电容，所以限制了放大器的　响应速度。为了提高响应速度，不少学者曾研究出各种屏蔽法和正反馈并用的方法　，不　过终因超高电阻和杂散电容客观存在的影响，使电路产生复杂的频率响应，甚至产生振荡　等，所以实现高速化是较困难的。　为此．本文提出用光电耦合器替代超高电阻负反｛贲电路的方法。同时Ｉ在电路中加人正　反馈，进一步提高了响应特性的高速化。文中还对光电藕合器驱动电路进行了简化，使整个　本文ｌ９９５年５月８日收到　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　吴开＊：直流徽电流放大器的一种改进电路　电路的成本减少　１电路构成　实验电路如图２所示　其中Ｋ为放大器的放大倍数；Ｃｐ为正反馈电容；Ｋ　为正反绩放大　倍数；·为负反馈部分。同时，在实验中　为得到输人信号电流，而使用了微分电容Ｃ　输人　是三角波信号，三角波信号被微分，得到阻抗非常高的方波信号电流。ｃ　是Ｃ侧的接地电　容　Ｖ　图２电路构成及测蚕电路　图３光电耦台器负反馈电路　光电耦合器负反馈电路如图３所示。参考文献Ｉ７１利用光电耦合器的发光二极管（ＬＥＤ）　的驱动，使用的是驱动用的放大器。但这里，ＬＥＤ囡只驱动Ｒ＾Ｊ所以直接连接在放大器的输　出侧。光电二极管（ＰＤ）接在放大器输入侧作为负反馈。同时，Ｖ　给ＬＥＤ提供偏压　２电路分析　图４是图３光电耦合器负反馈电路的等效电　路　ＬＥＤ￣ＰＤ全都是用等效电阻和Ｐ——　结电　容并联电路代替　。Ｃ．，为包含光电耦合器ｌ拔侧　和２次侧端子闻的杂散电容　。Ｃ．　同超商电阻端　子闻杂散电容一样，影响着放大器的响应速度。同　目受光元件的光电流Ｉ　，由电流传输率Ｋ　定义　ＫＶ　Ｖ　ｍ　ｃｒ　（１）　雹４光电耦合器负反馈电路的等效电路　由图４电路，根据ＫＣＬ定律　求得发光元件端子间电压　为　维普资讯 http://www.cqvip.com

２６　河北篙｝炭建筑工程学院学报　１９９５笠　ＫＶ　Ｅ—一亡＋　ｊｗ≥亡＋Ｃ　Ｖ　纛ＲｊＷ（ＣｌＩ＋ｃ　ｌ：——＋　—ｊｗ—等　Ｒ—————　Ａ：Ｃ—１—２——一，．　一ｌｍ－　＾Ｒｍ　…（Ｖｖ　（２）　＋带ｆ　２７ｉ＇Ｒ　Ｃ’２　７ｉ＇ＲＣ　。￡则　Ｒ　Ｖ，　￡Ｖ　（３）　图５为图２电路全体输人坝４的等效电蹴　由Ｍｉｌｌｍａｎ定理，得　圉５电路的全体输＾侧等效电路　Ｉ、，一　＋ｊｗｃ，Ｋ－ｖ　＿。吃＋ｊｗＬ　Ｖ，　（４）　ｊｗ（ｃＣ　Ｃ　ｃ　＋（＿　）　将（１）、（３）、（４）式代人下式可求得输人导纳Ｙ如下　ｖ　：÷＋亡＋　＋ｊｗ【ＣＤ“　（１－Ｋ　÷（１　ｘ　㈣　将（５）式的实部和虚部分别用Ｒｉｎ＿ｌ’ｃ表示为　Ｒ　（＿１＋亡＋　ＫＫ　一　ｆ６）　ｃ　一“。　＋（Ｉ－Ｋ、Ｃ＿＋（１＋　）ｃ　：　（７）　其次　起高电阻使用时的Ｒ　Ｃ如下　Ｒ　ｃ　。。　ｆ８１　ＣＣ＋Ｃ‘＋（１＿Ｋ　Ｃ。＋（１＋Ｋ）Ｃ　ｆ９）　其中，Ｒ　为超高电阻，ｃ。为超高电阻端子间的杂散电瓠　这里　ｘＣ￣－ｉ＇－Ｒ　式（印（６）、（８）式）假定它们相等，进行化简可得到　１　ＫＫｅＴ￣Ｉ＋ＫＲＲＲｔ　而Ｋ＞＞１。　＾　，’　ＲＫ。２＞＞Ｒ—ｍ。　　ｘ　＾　故　Ｒ　Ｒ＝—　‘　Ｋ　（ｊ０）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第｛期　晏开兴：直流微电流艘太嚣翦一种改进电路　２７　由（１ｏ１式可以看出　使鬟光电耦合器负反馈电路情　下的等效电阻垒Ｒ　和Ｋ　决定　实际上，Ｋ一在管子　造时已决定．Ｒ　是可变的、且能任意设定的电阻值　下面．对丽个Ｃ．。式（即（７）、（９）式）相比较得到　Ｒ　（１÷—　ｃ　＜　÷　ｃ　（１１）　由（１１）式可以看出，超高电阻两端子间杂散电容是密勒教应的（１＋Ｋ）倍。但在光电耦　台器负反馈电路情况下．蜀Ｒ。　＜＜Ｒ　端子闻杂散电容梭减少。从这个结果看，光电藕合器　负反馈电路情况下，密勒效应敲抑制，且正反馈电路并用，与超高电阻使用时相比较，更能得　到期望的高速比　３实验结果　打　。　（元ｃ　ｔｒ　ｌ！Ｄ　ｓ（有ｃ　（ａ）超高电阻屏蔽ｆＲ　＝１￣１０　Ｑ）　”　朋，尢ｃ　打　ｌ０　ｓ（有ｃ　（ｂ）光电耦台嚣负反髓皂路ｆＲ＝１Ｘ！Ｏ　Ｑ）　图６直沆镦电流放大器的响应特世　做实验，测定直流镦电流放大器响应特性的上升时间（输出波形上升的１Ｏ％～９Ｏ％１要Ｊ图　所示渡形·由图６可　看出正、负反馈并用（超离电阻屏蔽ｔｒ：１２０／￣ｓ：光电　台嚣　打　０　）时·放大器的响应特性被大幅度高速化　没青正反馈（超高电殂屏蔽　。　；光电耦合器　；５ｏ０￣ｓ）时，光电耦合器电路比超高电阻屏蔽也高速化这表明　维普资讯 http://www.cqvip.com

河北煤炭建筑工程学院学报　ｔ９９５篮　分折与实验结果是一致的。　４结束语　从分析结果看，光电耦合器负反馈电路的等效电阻，表现为Ｒ　是可变的且可任意设定。　这个结论已被实验所证实。而且与超离电阻情况下相比较，在光电耦台器负反馈电路情况　下，密勒效应被抑制．有效输人电容变小　今后研究的同题，应是对电路的偏置及漂移的改善。　参考文献　Ｉ徐光．ＪＦＥＴ徼电流放大器、电蒯与仪表，１９９５；（２）　２张德禄等、微电流放大器灵敏度的检定方法　电测与仪表　１９９１；（７）　３　Ｋｅｎｄａｌｌ　Ｂ　Ｒ．Ｆ．ａｎｄ　Ｒｅｉｔｅｒ　Ｒ．Ｆ．Ｔｈｒｅｅ—ｔｅｒｍｉｎａｌ　Ｓｈｉｅｌｄｅｄ　ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｆａｓｔ　ｅｔｅｃｔｒｏ—　ｍｅｔｅｒｓ，Ｒｅｒ．ｓｉｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍ、１９７４　４后臻敬典，石Ｊ｝Ｉ和雄．高速徽少电流计０设计与制作．真空，１９７９；（２２）　５仲村郁夫等．负归还抵抗用多＿　１－＇Ｏ改良【二上与高速应答０直流微少电流增幅器．信　学论，１９８９；（１０）　６件村郁夫等．７才　力　负归还回路圣用‘　直流徼少电流增幅器的应答特性　信学　论，１９８５；（１１）　７陆祖光．微电流测量技术探讨、电测与仪表，１９９０，（５）　８伊藤弘．才　．　，｛　叉应用／Ｉ，”Ｉ，、ＣＯ出版，１９８５；（把）　ｌ　Ｔｈｅ　Ｉｍｐｒｏｖｅｌ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　Ｖｅｒｙ　ＬＯＷ　Ｌｅｖｅｌ　ＤＣ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ａｍｐｔｉｄｆｉｅｒ　Ｗｕ　Ｋａｉｘｉｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｇｉｖｅｓ　ｏｉｌ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏ—ｃｏｕｐｌｅｒ＇Ｓ　ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｒｅｓｉｓｔｏｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｖｅｒｙ　ｌｏｗ　ｌｅｖｅｌ　ＤＣ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　ａｎｄ　ｐａｒｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｃｒｙ　ｌｏｗ　ｌｅｖｅｌ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　Ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄ　ａｎｄｆ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅｏｒｙ　Ｔｈｅ、　１ｍｅｍ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｇｒｅｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ，ｐｈｏｔｏ—ｃｏｕｐｌｅｒｓ，ｈｉｇｈ—ｒｅｓｉｓｔｏｒ，ｖｅｒｙ　ｌｏｗ　ｌｅｖｅｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ