pA级电流测量电路设计详解

pA级电流测量电路设计详解

引用

CSDN

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https://m.blog.csdn.net/zuoph/article/details/145461535

在科学研究和工程应用中，皮安级（pA级）电流测量是一个极具挑战性的课题。本文将详细介绍如何设计一个高灵敏度、低噪声的pA级电流测量电路，包括核心电路设计、抗干扰与屏蔽、噪声抑制、校准与保护电路以及供电方案等多个方面的内容。

核心电路：跨阻放大器（TIA）

跨阻放大器（Transimpedance Amplifier，简称TIA）是将微弱电流转换为电压信号的关键组件，是整个电路的核心部分。

运放选型

选择运放时需要重点关注以下两个参数：

• 超低输入偏置电流：选择输入偏置电流低于1fA的运放，例如：

• ADA4530-1（0.2fA输入偏置电流）

• LMC662（2fA输入偏置电流）

• 低噪声：电压噪声密度需低于10nV/√Hz，电流噪声低于0.1fA/√Hz。

反馈网络设计

抗干扰与屏蔽设计

为了确保测量精度，需要采取有效的抗干扰和屏蔽措施。

PCB布局

• 防护环（Guard Ring）：在输入端周围布设接地的铜环，减少表面漏电流（需与运放的防护引脚相连）。
• 缩短走线：高阻抗路径尽可能短，避免引入寄生电容。
• 材料选择：使用聚四氟乙烯（特氟龙）PCB或陶瓷插座，减少绝缘材料漏电。

屏蔽措施

• 金属屏蔽盒：将电路密封在接地的金属盒内，隔离外部电磁干扰。
• 低噪声电源：采用电池或线性电源，并通过π型滤波（LC或RC）消除高频噪声。

噪声抑制技术

为了进一步降低噪声影响，可以采取以下措施：

带宽限制

在输出端添加低通滤波器（如RC滤波），带宽设置为实际需求的最低值，例如1Hz。

低温漂元件

• 选择±1ppm/℃的精密电阻（如Vishay的Z-Foil系列）。
• 反馈电容选用NP0/C0G陶瓷电容，温度稳定性高。

校准与保护电路

为了确保测量精度和保护电路不受损坏，需要设计校准和保护电路。

校准开关

设计继电器切换的校准模式，接入已知电流源（如高阻值电阻+精密电压源）进行定期校准。

输入保护

使用低漏电二极管（如JFET缓冲）钳位输入端电压，防止过压损坏运放。

供电方案

为了确保电源的纯净度，采用双电源供电方案：

• 双电源供电：±5V线性稳压电源（如LT3045超低噪声LDO）。
• 去耦电容：每颗运放电源引脚就近放置100nF陶瓷电容+1μF钽电容。

关键注意事项

• 避免手触PCB：人体静电可能导致电路损坏。
• 防潮处理：在屏蔽盒内放置干燥剂或充氮气密封。
• 机械振动：使用减震支架，避免压电效应引入噪声。

通过以上设计，可以实现pA级电流的稳定测量，适用于光电检测、生物传感器等超低电流场景。