一、前言*

本推文介紹有關(guān)電流信號放大的基本知識,對兩種常用電流檢測電路結(jié)構(gòu)的噪聲特性進(jìn)行對比。

放大器的作用是將微弱信號放大到某種電平。一般來說，多數(shù)都是放大輸入電壓信號，但是對于傳感器來說，也有處理電流信號的情況，例如光二極管等光傳感器微小的輸出電流與輸入光的強(qiáng)度成比例。因此，使用的前置放大器最好是電流輸入型。

在例如，電力系統(tǒng)中使用的電流傳感器CT(Current Transformer)輸出的也是電流。所以就適應(yīng)傳感器的種類來說，前置放大器可以分為電壓輸入和電流輸入兩種類型。

對于電壓輸出型型的傳感器，其與運放連接時一般要求運放閉環(huán)時阻抗足夠高，如下圖：

而電流輸出型的傳感器的內(nèi)阻都比較高，其與運放連接時一般要求運放閉環(huán)時阻抗足夠低，如下圖：

二、電流輸入放大器的兩種接法

實現(xiàn)電流輸入的放大器有下圖所示的兩種方法。一種如圖(a)所示用輸入電阻將電流變換為電壓后再進(jìn)行放大。另一種是利用負(fù)反饋降低輸入阻抗，實現(xiàn)純粹的電流輸入的前置放大(如圖b)。

(b)中的A是放大器的開環(huán)增益，一般非常高，因此(b)的等效輸入阻抗非常低，非常適合電流輸出型傳感器！

下面分析一下兩種接法的電路噪聲特性：

上述電路的放大倍數(shù)是1000倍，紅線框圖的噪聲計算有點問題（雖然最后結(jié)果基本正確），此處不是R1//R2的噪聲=4KT(R1//R2)，約等于4KT 100,而應(yīng)該是：4KTR1 (999/1000)^2 + 4KTR2/(1000^2)也)約等于4KT*100，雖然兩者基本相等，但不表示原計算正確，只是剛好R2>>R1的原因，否則原計算將偏差很大。具體的放大器噪聲計算方法與原理，詳見本微信公眾號里的'硬件設(shè)計'專輯里的‘放大器噪聲問題(1)~(4)'

此處計算，一般容易迷惑的是en為什么沒有乘增益？在計算時，假設(shè)電流源內(nèi)阻足夠大，而輸入端開路，則Rc上無電流，則eout=en+Ic*Rc,而Ic=0,eout=en直接加到輸出端口了。

可見兩種接法的噪聲特性差別較大，這也是一般光電檢測電路都采用后者接法的原因之一。實際應(yīng)用時，為了降低系統(tǒng)噪聲，需要限制帶寬，可以在Rc上并聯(lián)一個小電容。

在超低電流測試時，比如pA級別以下的電流測試時，運放必須用特制的超低偏置的高輸入阻抗運放（比如LMC6001,典型偏置電流2fA; ada4530-1,典型偏置電流<1fA)，而且作為跨導(dǎo)放大器的反饋電阻，往往取10G--100G歐姆，才能把電流噪聲壓到足夠低，此反饋電阻越大，電路的檢測噪聲越低：根據(jù)Johnson 公式，可以測試的最小電流受電阻電流噪聲的功率限制I^2=4KTB/R , 其中k是玻爾茲曼常數(shù)，為1.38*10^-23，T是絕對溫度，B是帶寬，R是內(nèi)阻, 例如取常溫27°，則T=300K、B=1Hz、R=10MΩ時，噪聲電流譜密度為40.7fA/sqrt(Hz),顯然這個噪音對于pA級微弱電流是太大了！若 R=1GΩ、T=300K、B=1Hz，噪聲電流有效值為4.07fA/sqrt(Hz),此時如果帶寬為100Hz,噪聲有效值就40.7fA, 還是太大，所以我們曾經(jīng)試制時，此電阻取到100G歐姆，但100G歐姆的電阻的電壓系數(shù)、溫漂、介質(zhì)吸收等問題都非常突出，選一個好的100G歐姆電阻不是一件容易的事，我們在以后推文中再整理此方面的筆記，先賣個關(guān)子！

吉時利被公認(rèn)為是國際微電流測試的最高水平，其保持記錄的靜電計K642，里面的反饋電阻最大用到了1000G歐姆，其超低的電壓系數(shù)、溫漂、介質(zhì)吸收，估計這電阻是特別設(shè)計定制的，這么大的電阻要保持低電感特性，其電阻材料的布置圖案都不會是方塊型，據(jù)說是蛇皮花紋形狀，至于為啥這種形狀的自感特性很低，有興趣的網(wǎng)友可以用ads建模仿真看看，有結(jié)果記得讓我也見識以下。

這種特別定制關(guān)鍵部件在很多高端設(shè)備里都是這么做的，比如像安捷倫公司的8位半數(shù)字萬用表里的ADC部件都是他們自己定制的，這種ADC市面上根本沒得賣。

三、大電流檢測

前面介紹的主要針對微小電流（mA量級以下），在噪聲特性性上，負(fù)反饋電流輸入前置放大器具有優(yōu)越性，而在大電流(A量級)的檢測時，必須盡量抑制檢測電阻上的電壓降，如果這個檢測電阻消耗功率大，檢測電阻自身就會發(fā)熱，并引起電阻值發(fā)生變化同時增加功率損耗，因此大電流檢測時要求檢測電阻的值一定要低，因此前述第一種結(jié)構(gòu)才適合大電流檢測，第二種結(jié)構(gòu)(b)是適合微弱電流檢測的：

上圖的取樣電阻一般都比較小，可達(dá)幾十毫歐級別，問題是在焊接時接觸焊盤電阻會對高精度測試造成影響，一般在高精度測試時可以采用專門的四線制電阻：

由于測量或差動運放的非常高的輸入阻抗，rv電阻支路基本無電流，可以精確放大采用電阻R上的檢測信號

現(xiàn)在這種電流檢測發(fā)展為高側(cè)與低側(cè)兩種，如下圖所示，注意下圖3的低側(cè)檢測用反向放大器輸出正電壓而且可以檢測整個系統(tǒng)的功耗電流，比較巧妙：

注意檢測電阻的正確走線方法：