[發(fā)明專利]基于電荷平衡的高精度微弱電流測(cè)量電路及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110500371.6
• 申請(qǐng)日: 2021-05-08
• 公開（公告）號(hào): CN113238088B
• 公開（公告）日: 2023-01-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊建;萬清;李昕雨;龔嵐;黃平;范杰;黃秋;張曉棟
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院輻射研究所
• 主分類號(hào): G01R19/00
• 分類號(hào): G01R19/00
• 代理公司: 成都禾創(chuàng)知家知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51284
• 代理人: 劉凱

本發(fā)明公開了一種基于電荷平衡的高精度微弱電流測(cè)量電路及方法，電流源包括兩個(gè)電流方向相反可交替工作的恒流源，其由測(cè)量控制單元控制切換，電流源的電流絕對(duì)值大于待測(cè)電流的絕對(duì)值；積分器對(duì)輸入電流及恒流源輸入的電流之和進(jìn)行積分；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集固定時(shí)間點(diǎn)的積分電壓信號(hào)，并將積分電壓信號(hào)發(fā)送給測(cè)量控制單元；測(cè)量控制單元對(duì)固定時(shí)間點(diǎn)的積分電壓信號(hào)進(jìn)行分析，判斷該點(diǎn)的積分電壓是否超量程或過零，根據(jù)過零情況進(jìn)行兩個(gè)恒流源的切換，并對(duì)兩個(gè)恒流源導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用于計(jì)算輸入電流。本發(fā)明微弱電流測(cè)量精度高；并可根據(jù)工頻干擾設(shè)置測(cè)量周期，減小或消除工頻干擾噪聲；且可測(cè)量雙極性微弱電流，消除零點(diǎn)飽和帶來誤差的缺點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微弱電流測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體為基于電荷平衡的高精度微弱電流測(cè)量電路及方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)于低功耗高性能的需求，電子設(shè)備的電流水平有往小發(fā)展的趨勢(shì)，從毫安到微安再到皮安，比如手機(jī)電池待機(jī)電流(10^-3A)、光電二極管暗電流(10^-12A)、OLED的像素電流(10^-12A)等，在靜電研究、材料測(cè)試、光電器件、輻射計(jì)量等應(yīng)用與測(cè)試中也要測(cè)量微弱電流，而如何精確測(cè)量出微弱電流，則成了一道避不開的難題。

微弱電流測(cè)量方式主要有兩種方式：跨阻法和積分法。

跨阻法原理是，待測(cè)電流接運(yùn)算放大器的反相輸入端，一反饋電阻R跨接反相輸入端和輸出端，同相輸入端接地，則反相輸入端處于虛地，輸入端所有電流流經(jīng)反饋電阻，從歐姆定律I＝V/R可知，只要測(cè)量跨阻放大器輸出電壓值，通過已知反饋電阻阻值就可以計(jì)算出待測(cè)電流。

積分法原理是，待測(cè)電流接運(yùn)算放大器的反相輸入端，一積分電容C跨接反相輸入端和輸出端，同相輸入端接地，反相輸入端處于虛地，輸入端所有電流流入積分電容，從電荷電流關(guān)系Q＝I·t＝ΔV·C可知，只要測(cè)量出積分時(shí)間內(nèi)積分器輸出電壓變化值，通過已知積分電容容值以及積分時(shí)間就可以計(jì)算出待測(cè)電流。

目前，國(guó)內(nèi)外已有多家公司開發(fā)了微弱電流測(cè)量電路及方法，一般采用電容積分法，通過切換不同容值的電容來更改測(cè)量電流量程。跨阻法所需器件及工藝要比積分法嚴(yán)格得多，因此采用跨阻法測(cè)量電流的公司不多，跨阻法的量程切換是通過改變跨接電阻阻值實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明專利CN112213554A的微弱電流測(cè)量電路如下圖1所示。該發(fā)明專利中的測(cè)量電路是基于積分法。通過電流積分，積分電壓將會(huì)慢慢增加，當(dāng)積分電壓到達(dá)下閾觸發(fā)電壓時(shí)，高速比較器2便會(huì)輸出高電平，復(fù)位邏輯電路接收到脈沖后輸出一固定脈寬的積分復(fù)位信號(hào)，該積分復(fù)位電壓信號(hào)通過低漏電流復(fù)位器輸出固定的電荷用于積分器的復(fù)位，積分器的輸出電壓因此降低。高速比較器1用于電路起始階段的復(fù)位功能，當(dāng)積分器輸出電壓超過上閾觸發(fā)電壓時(shí)，復(fù)位邏輯電路輸出積分復(fù)位信號(hào)，從而使積分器輸出電壓低于下閾觸發(fā)電壓。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路用于將積分復(fù)位脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為固定寬度的脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)頻率正比于微弱電流信號(hào)。

上述方案不足之處在于：

1)測(cè)量周期來源于積分復(fù)位信號(hào)，因而其測(cè)量周期不固定，不能整倍于工頻信號(hào)，容易受工頻干擾影響；即便固定了測(cè)量周期，將會(huì)損失部分電流積分信息。

2)在量程低端時(shí)，待測(cè)電流較小，積分電壓變化較慢，導(dǎo)致一定測(cè)量周期內(nèi)輸出脈沖信號(hào)少，從而測(cè)量誤差大，測(cè)量周期長(zhǎng)。

3)其積分器必須保持不漏電或固定方向的漏電流，否則反向漏電流將會(huì)導(dǎo)致積分器低端飽和，影響測(cè)量電流的精度，并且在測(cè)量量程的低端輸入電流較小時(shí)測(cè)量電路將無脈沖信號(hào)輸出。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于電荷平衡的高精度微弱電流測(cè)量電路及方法，利用電荷平衡理論實(shí)現(xiàn)微弱電流高精度測(cè)量，解決現(xiàn)有微弱電流測(cè)量需要多量程切換，只能測(cè)量單極性電流、測(cè)量誤差大的問題。技術(shù)方案如下：