电流输入放大器的设计-电子发烧友网

一、前言*

本推文介绍有关电流信号放大的基本知识,对两种常用电流检测电路结构的噪声特性进行对比。

放大器的作用是将微弱信号放大到某种电平。一般来说，多数都是放大输入电压信号，但是对于传感器来说，也有处理电流信号的情况，例如光二极管等光传感器微小的输出电流与输入光的强度成比例。因此，使用的前置放大器最好是电流输入型。

在例如，电力系统中使用的电流传感器CT(Current Transformer)输出的也是电流。所以就适应传感器的种类来说，前置放大器可以分为电压输入和电流输入两种类型。

对于电压输出型型的传感器，其与运放连接时一般要求运放闭环时阻抗足够高，如下图：

而电流输出型的传感器的内阻都比较高，其与运放连接时一般要求运放闭环时阻抗足够低，如下图：

二、电流输入放大器的两种接法

实现电流输入的放大器有下图所示的两种方法。一种如图(a)所示用输入电阻将电流变换为电压后再进行放大。另一种是利用负反馈降低输入阻抗，实现纯粹的电流输入的前置放大(如图b)。

(b)中的A是放大器的开环增益，一般非常高，因此(b)的等效输入阻抗非常低，非常适合电流输出型传感器！

下面分析一下两种接法的电路噪声特性：

上述电路的放大倍数是1000倍，红线框图的噪声计算有点问题（虽然最后结果基本正确），此处不是R1//R2的噪声=4KT(R1//R2)，约等于4KT 100,而应该是：4KTR1 (999/1000)^2 + 4KTR2/(1000^2)也)约等于4KT*100，虽然两者基本相等，但不表示原计算正确，只是刚好R2>>R1的原因，否则原计算将偏差很大。具体的放大器噪声计算方法与原理，详见本微信公众号里的'硬件设计'专辑里的‘放大器噪声问题(1)~(4)'

此处计算，一般容易迷惑的是en为什么没有乘增益？在计算时，假设电流源内阻足够大，而输入端开路，则Rc上无电流，则eout=en+Ic*Rc,而Ic=0,eout=en直接加到输出端口了。

可见两种接法的噪声特性差别较大，这也是一般光电检测电路都采用后者接法的原因之一。实际应用时，为了降低系统噪声，需要限制带宽，可以在Rc上并联一个小电容。

在超低电流测试时，比如pA级别以下的电流测试时，运放必须用特制的超低偏置的高输入阻抗运放（比如LMC6001,典型偏置电流2fA; ada4530-1,典型偏置电流<1fA)，而且作为跨导放大器的反馈电阻，往往取10G--100G欧姆，才能把电流噪声压到足够低，此反馈电阻越大，电路的检测噪声越低：根据Johnson 公式，可以测试的最小电流受电阻电流噪声的功率限制I^2=4KTB/R , 其中k是玻尔兹曼常数，为1.38*10^-23，T是绝对温度，B是带宽，R是内阻, 例如取常温27°，则T=300K、B=1Hz、R=10MΩ时，噪声电流谱密度为40.7fA/sqrt(Hz),显然这个噪音对于pA级微弱电流是太大了！若 R=1GΩ、T=300K、B=1Hz，噪声电流有效值为4.07fA/sqrt(Hz),此时如果带宽为100Hz,噪声有效值就40.7fA, 还是太大，所以我们曾经试制时，此电阻取到100G欧姆，但100G欧姆的电阻的电压系数、温漂、介质吸收等问题都非常突出，选一个好的100G欧姆电阻不是一件容易的事，我们在以后推文中再整理此方面的笔记，先卖个关子！

吉时利被公认为是国际微电流测试的最高水平，其保持记录的静电计K642，里面的反馈电阻最大用到了1000G欧姆，其超低的电压系数、温漂、介质吸收，估计这电阻是特别设计定制的，这么大的电阻要保持低电感特性，其电阻材料的布置图案都不会是方块型，据说是蛇皮花纹形状，至于为啥这种形状的自感特性很低，有兴趣的网友可以用ads建模仿真看看，有结果记得让我也见识以下。

这种特别定制关键部件在很多高端设备里都是这么做的，比如像安捷伦公司的8位半数字万用表里的ADC部件都是他们自己定制的，这种ADC市面上根本没得卖。

三、大电流检测

前面介绍的主要针对微小电流（mA量级以下），在噪声特性性上，负反馈电流输入前置放大器具有优越性，而在大电流(A量级)的检测时，必须尽量抑制检测电阻上的电压降，如果这个检测电阻消耗功率大，检测电阻自身就会发热，并引起电阻值发生变化同时增加功率损耗，因此大电流检测时要求检测电阻的值一定要低，因此前述第一种结构才适合大电流检测，第二种结构(b)是适合微弱电流检测的：