pA電流放大電路

卓老師，您好，想請教您一個(gè)問(wèn)題，我正在diy一個(gè)pA數據采集器 ，使用的是ADA4530，想要測量50pA~100pA左右的電流 ，寬想在10KHz，測試過(guò)程中發(fā)現一個(gè)現象無(wú)法理解。

01 問(wèn)題提出

今天凌晨看到公眾號后臺有位同學(xué)提出一個(gè)問(wèn)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象。

卓老師，您好，想請教您一個(gè)問(wèn)題，我正在diy一個(gè)pA數據采集器 ，使用的是ADA4530，想要測量50pA~100pA左右的電流 ，寬想在10KHz，測試過(guò)程中發(fā)現一個(gè)現象無(wú)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 電路的幅頻響應曲線(xiàn)

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(gè)4KHz到14KHz的輸出幅值，我不知道什么原因導致，想請教您幫我指點(diǎn)一下方向。

02 問(wèn)題分析

一、提問(wèn)分析與假設

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由于上述問(wèn)題是在微信公眾號后臺提出的，回復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(guò)程做如下的假設：

●   該電路所獲得的數據都是由LTspice 仿真軟件測量得到的；

●   測量信號是由電路中Vin1輸入，測量結果是由Out4獲得；

二、電路分析

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實(shí)驗電路的組成應該是包括兩部分，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 信號轉換與放大部分。

1、信號輸入轉換電路

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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)測試電路的功能來(lái)看這個(gè)電路應該是用于產(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(gè)電路屬于電壓并聯(lián)負反饋電路，即將輸出的電壓進(jìn)行積分反向放大后，經(jīng)過(guò)R4,R6 兩個(gè)電阻并聯(lián)在電路輸入端。這就無(wú)法達到輸出為恒流源的目的呀。

圖2.2.1 輸入信號轉換部分

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，根據參數，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  

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。

圖2.2.2 LTspice仿真電路

仿真結果驗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 仿真結果

2、電流電壓轉換電路

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下面是原來(lái)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換。這是一個(gè)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之前電路放大倍數每倍頻6dB上升，超過(guò)1.2kHz之后電路放大倍數以大約12dB每倍頻上升，在18kHz左右增益達到最大。

超過(guò)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對應的高通轉折頻率，大約為15.9kHz；

●   運放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(guò)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。

圖2.2.8 電路的頻率特性

總結

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本文對公眾號后臺一款DIY皮安電流放大電路進(jìn)行了分析。這個(gè)問(wèn)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果進(jìn)行討論。從分析中來(lái)看：

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

后級電流轉換電路則是一個(gè)高通電路，原則上應該設計RC對應的頻率來(lái)補償電路運放的高頻特性不足。但仿真結果無(wú)法給出實(shí)際器件的放大特性。

來(lái)源：TsinghuaJoking，卓晴