王威 崔敏 李孟委 張鵬 梁洲鑫

摘要：針對(duì)納米光柵微陀螺輸出微安甚至皮安級(jí)的微弱電流信號(hào)，設(shè)計(jì)微弱電流信號(hào)的前置放大電路，研究弱電流信號(hào)檢測(cè)與電路穩(wěn)定性的理論，提出一種低成本、低噪聲、高信噪比的微弱電流檢測(cè)方法，即高阻型的，I-V轉(zhuǎn)化法，并給出高阻型，I-V轉(zhuǎn)化電路的響應(yīng)帶寬計(jì)算公式以及電路穩(wěn)定性的分析方法。通過(guò)搭建測(cè)試臺(tái)，對(duì)電路性能及功能進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電路可對(duì)皮安級(jí)的微弱電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)放大，電路靈敏度為10mV/pA，最大檢測(cè)誤差為1.5%（當(dāng)輸入微弱電流值>10pA時(shí)），滿(mǎn)足納米光柵微陀螺的微弱電流檢測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：納米光柵陀螺;前置放大電路;微弱信號(hào)檢測(cè);I-V電路;穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM934文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）04-0123-06

0引言

陀螺是用于測(cè)量角速率的傳感器，是慣性技術(shù)的核心器件之一。它具有體積小、功耗低、成本低、易批量化生產(chǎn)、靈敏度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍大和可集成性好等優(yōu)點(diǎn)，因此在民用消費(fèi)領(lǐng)域和現(xiàn)代國(guó)防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

微機(jī)械陀螺高精度檢測(cè)的重點(diǎn)是對(duì)微弱哥氏力引起的微應(yīng)力或微位移的檢測(cè)。納米光柵對(duì)微位移具有極高的靈敏度。通過(guò)此原理可獲得飛米級(jí)的微位移檢測(cè)分辨率，仿真結(jié)果表明其噪聲分辨率高達(dá)2.603x 10^-4（°）/h/√HZ，將納米光柵應(yīng)用于MEMS陀螺微位移檢測(cè)，可以解決微弱哥氏力的檢測(cè)難題，能夠克服現(xiàn)有電容檢測(cè)原理檢測(cè)靈敏度低的不足。微雖然目前微弱電流檢測(cè)的相關(guān)儀器在檢測(cè)精度與檢測(cè)的數(shù)量級(jí)上已經(jīng)達(dá)到很高的水平，但是由于這些儀器價(jià)格昂貴，體積較大，難于與實(shí)際的測(cè)試對(duì)象輕便組合等因素，限制了其使用范圍。不少高校、研究所針對(duì)微弱電流檢測(cè)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，如張全文，姜利英，譚同等研究的微弱電流檢測(cè)電路已經(jīng)處于實(shí)用階段，但是他們?cè)诟咦栊?，I-V電路的穩(wěn)定性分析中，電路帶寬計(jì)算并沒(méi)有具體的理論分析。本文研究了高阻型的I-V微弱電流檢測(cè)方法，在保證測(cè)試精度的同時(shí)，又可以解決測(cè)試儀器的不足，同時(shí)也給出了電路帶寬的計(jì)算方法與電路穩(wěn)定性的分析方法，進(jìn)一步完善了微弱電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)與分析理論。

1納米光柵陀螺的原理

納米光柵微陀螺工作原理如圖l所示，首先內(nèi)框帶動(dòng)質(zhì)量塊在x方向諧振，當(dāng)z軸有角速率ω輸入時(shí)，質(zhì)量塊將受到y(tǒng)方向的哥氏力F作用，使可動(dòng)光柵相對(duì)于固定光柵發(fā)生位移。輸入角速率沿z軸方向、陀螺質(zhì)量塊的振動(dòng)速度沿x軸方向、陀螺質(zhì)量塊的受哥氏力沿y軸方向，哥氏力F與ω、u3者之間的關(guān)系如圖2所示，其中F=2M.ω×V，M為陀螺質(zhì)量塊的質(zhì)量。微弱的距離變化將導(dǎo)致透過(guò)納米光柵的衍射光強(qiáng)發(fā)生劇烈變化，因此光電探測(cè)器通過(guò)探測(cè)衍射光強(qiáng)的變化檢測(cè)微弱哥氏力引起的微小位移。

納米光柵陀螺的靈敏度由結(jié)構(gòu)靈敏度、衍射靈敏度、光電探測(cè)器的靈敏度共同決定，靈敏度之間的關(guān)系為

式中：S結(jié)構(gòu)——結(jié)構(gòu)靈敏度，nm/（°）/s;

S衍射——衍射靈敏度，mW/nm;

S光電探測(cè)——光電探測(cè)器的靈敏度，mA/W。

針對(duì)以上陀螺結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)靈敏度仿真結(jié)果為21.27nm/（°）/s，衍射靈敏度仿真結(jié)果為0.00175mW/nm，如果選用型號(hào)為S1227-16RR的光電二極管作為光電探測(cè)器，其靈敏度為430mA/W，暗電流為5pA，運(yùn)用公式（1）計(jì)算可得陀螺的總靈敏度為0.016mA/（°）/s。陀螺的輸入角速率在0.00001（°）/s時(shí)，則陀螺的輸出信號(hào)為160pA，因此需要一種微弱電流檢測(cè)電路對(duì)陀螺輸出的微弱電流信號(hào)進(jìn)行高增益放大，方便后端電路對(duì)陀螺輸出信號(hào)的處理。

2放大電路系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

針對(duì)微弱電流信號(hào)檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種微弱電流系統(tǒng)，微弱電流檢測(cè)系統(tǒng)的整體原理框圖如圖3所示，主要由皮安級(jí)微弱電流信號(hào)源、I-V轉(zhuǎn)換電路、調(diào)理電路、電源模塊、高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、FPGA主控制器、電磁屏蔽殼、同軸線(xiàn)、電腦等構(gòu)成。

其中微弱電流信號(hào)由是德科技的B291l來(lái)提供pA級(jí)的微弱電流信號(hào)，該信號(hào)源可以提供10fA的微弱電流信號(hào)，可以滿(mǎn)足本次的測(cè)試要求;I-V轉(zhuǎn)換電路是本次設(shè)計(jì)的核心，該電路具有20fA的輸人偏置電流，可以有效地降低因?yàn)檩斎似秒娏鲙?lái)的電流檢測(cè)誤差;信號(hào)調(diào)理電路是對(duì)前置放大電路輸出信號(hào)的放大濾波，提高信號(hào)的質(zhì)量，方便后端ADC的采集。FPGA主控制器是控制ADC電路對(duì)輸出電壓信號(hào)的采集，同時(shí)將采集到的信號(hào)通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)，方便后續(xù)數(shù)據(jù)的分析處理;內(nèi)外兩層的電磁屏蔽殼體可以保護(hù)電路不受外部電磁干擾。

3電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1I-V電路

I-V轉(zhuǎn)換電路是一種將待測(cè)量的微弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大為一個(gè)幅值較大的電壓信號(hào)，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)從而獲得待測(cè)微弱電流信號(hào)大小的方法。I-V轉(zhuǎn)換電路實(shí)質(zhì)是一個(gè)跨阻放大器，如圖4所示。根據(jù)理想運(yùn)算放大器的“虛短”與“虛斷”，和基爾霍夫電流定律，輸出電壓可近似為

待測(cè)電流的放大倍數(shù)是由反饋電阻Rf決定的，因此當(dāng)待測(cè)電流信號(hào)很小以至于達(dá)到皮安級(jí)或者飛安級(jí)，要將其放大到便于測(cè)量的毫伏級(jí)電壓時(shí)，必須使用高阻值的反饋電阻進(jìn)行測(cè)量。其值大概在10⁹～10¹²Ω。反饋電阻RF是影響I-V轉(zhuǎn)換電路測(cè)量性能的重要因素，反饋電阻的等效電流噪聲是影響I-V轉(zhuǎn)換方法的測(cè)量下限與分辨能力的關(guān)鍵指標(biāo)。電阻的Johnson等效電流噪聲是平坦的白噪聲，它呈高斯分布，具有不可預(yù)見(jiàn)性與各態(tài)遍歷性的特點(diǎn)，電阻的電流噪聲公式可以表示為

由式（3）可知，電路在溫度恒定，帶寬一定的情況下，阻值越大，電阻產(chǎn)生的電流噪聲越小。在兼顧電路噪聲與電路帶寬的指標(biāo)，選取10GΩ的電阻作為反饋電阻RF。

為保證電路的電流檢測(cè)能力，應(yīng)該選取高輸入阻抗，極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器作為前置放大器。這樣可以防止運(yùn)算放大器的輸人偏置電流信號(hào)對(duì)輸入的微弱電流信號(hào)造成分流，影響電路檢測(cè)的精度。電路采用ADI公司具有極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器ADA4530-1來(lái)完成前端電路的搭建。由于ADA4530-1輸入偏置電流的典型值為±20fA（最大值，TA=25℃）;失調(diào)電壓為50uv（最大值，額定CMRR范圍）;輸入電阻大于100TΩ。因此該芯片非常適合作為微弱信號(hào)的前置放大器。

電路的電壓、電流放大倍數(shù)已達(dá)10¹⁰倍，容易自激，因此必須對(duì)電路的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。電路的輸入電容的分布如圖5所示，定義輸人電容舔=CDwlICcMIICo，其中C_DIF為寄生差分電容，C_CM為芯片的共模電容值，C_D為輸入電流信號(hào)源的

前端的寄生電容Cs和RF會(huì)在噪聲增益曲線(xiàn)上形成一個(gè)零點(diǎn)Z1，導(dǎo)致運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)和噪聲增益曲線(xiàn)相交處的逼近速度為-40dB/dec，這樣會(huì)造成運(yùn)算放大器的不穩(wěn)定。其伯德圖如圖6所示。

為使電路穩(wěn)定的工作，采用反饋電容CF作為補(bǔ)償，反饋電容會(huì)在噪聲增益曲線(xiàn)中形成一個(gè)極點(diǎn)，該極點(diǎn)會(huì)使噪聲增益曲線(xiàn)與運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益曲線(xiàn)的閉合速率以-20dB/dec進(jìn)行滾降，從而滿(mǎn)足環(huán)路穩(wěn)定性的要求。當(dāng)電路中加入反饋CF以后，可以計(jì)算出I-V電路的反饋因子為

3.3電路防護(hù)措施

由于檢測(cè)的信號(hào)非常微弱，需要對(duì)電路進(jìn)行相關(guān)的防護(hù)措施。在本次的電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要從以下幾方面進(jìn)行考慮：1）微弱信號(hào)的傳輸途徑;2）電路外部電磁干擾的排除;3）電路PCB板上微弱電流的泄露。針對(duì)第一種情況我們采取的措施是運(yùn)用同軸線(xiàn)纜將微弱信號(hào)源產(chǎn)生的微弱電流信號(hào)傳輸?shù)椒糯箅娐钒迳?在排除外部電磁干擾方面采取的措施是采用雙層金屬屏蔽，在內(nèi)層中對(duì)關(guān)鍵器件（前置放大器）采用鋁制金屬殼進(jìn)行屏蔽，在外層中對(duì)整個(gè)電路板采用鐵質(zhì)金屬殼進(jìn)行屏蔽;在防止微弱電流泄露方面主要從電路板疊層設(shè)計(jì)和電路板表層走線(xiàn)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，在PCB電路疊層方面采用頂層-接地層-電源層-底層的形式，在表層采用電流保護(hù)環(huán)將微弱信號(hào)傳輸線(xiàn)進(jìn)行包圍，在微弱信號(hào)走線(xiàn)的底層設(shè)置保護(hù)層，保護(hù)環(huán)與保護(hù)層之間需要打過(guò)孔。

4電路測(cè)試

為了驗(yàn)證電路的檢測(cè)能力，采用安捷倫公司的微弱電流源B2911來(lái)產(chǎn)生pA級(jí)的微弱電流。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)微弱電流信號(hào)源給電路提供微弱電流，在1-10pA的范圍內(nèi)電流的步進(jìn)值為1pA，在10-100pA的范圍內(nèi)電流的步進(jìn)值為10pA，從表中可以看出，在10pA以?xún)?nèi)的電流測(cè)量誤差較大，在10-100pA的范圍內(nèi)，電流的測(cè)量誤差較小，最大誤差為1.5%。根據(jù)表l的數(shù)據(jù)，可以繪制出電路的I-V曲線(xiàn)，如圖9所示。其中Slope參數(shù)表示直線(xiàn)的斜率，也是代表電路的靈敏度。由圖可知電路的靈敏度可達(dá)10mV/pA。

5結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了ADA4530-l芯片作為跨導(dǎo)放大器的優(yōu)點(diǎn)，提供了具體電路穩(wěn)定性分析的方法，并且提出電路穩(wěn)定性的措施及電路帶寬計(jì)算的方法。同時(shí)給出了微弱電流信號(hào)檢測(cè)電路中相關(guān)的屏蔽處理和防止漏電流的方法。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電路的性能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明電路可以檢測(cè)到皮安級(jí)的微弱電流，且電路靈敏度高達(dá)10mV/pA，能夠滿(mǎn)足納米光柵微陀螺的檢測(cè)需求。