电流输入放大器的设计

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：

上图的取样电阻一般都比较小，可达几十毫欧级别，问题是在焊接时接触焊盘电阻会对高精度测试造成影响，一般在高精度测试时可以采用专门的四线制电阻：

由于测量或差动运放的非常高的输入阻抗，rv电阻支路基本无电流，可以精确放大采用电阻R上的检测信号

现在这种电流检测发展为高侧与低侧两种，如下图所示，注意下图3的低侧检测用反向放大器输出正电压而且可以检测整个系统的功耗电流，比较巧妙：

注意检测电阻的正确走线方法：