一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器制造技术

本发明专利技术属于微弱电流测量技术领域，具体涉及一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，连接在对待测微弱电流(1)进行测量的电容积分型微弱电流测量电路(2)上，包括复位电流电路(3)、多路复用器(4)、D/A转换器(5)、电压跟随器(6)、逻辑控制单元(7)；电压跟随器(6)能复制待测微弱电流(1)的电压作为复位电流电路(3)的关断电压，D/A转换器(5)能为复位电流电路(3)提供极性和大小能调节的导通电压；还包括控制多路复用器(4)选择输出关断电压或导通电压、控制D/A转换器(5)输出的导通电压的极性和大小的逻辑控制单元(7)。本发明专利技术能大幅提升电容积分型微弱电流测量电路系统的测量下限及最小分辨力。

A low leakage current reset device for capacitive integral weak current measurement circuit

The invention belongs to the technical field of weak current measurement, in particular to a low leakage current reset device for capacitance integral weak current measurement circuit, which is connected to a capacitance integral weak current measuring circuit (2) for measuring weak current (1), including a reset current circuit (3), multiplexer (4), and D/A converter (5). ), voltage follower (6), logic control unit (7); voltage follower (6) can copy the voltage of the weak current (1) as the turn off voltage of the reset current circuit (3), and the D/A converter (5) can provide the polarity and size regulated conduction voltage for the reset current circuit (3); and the control multiplexer (4) selects the output off voltage. A logic control unit (7) that controls or controls the polarity and magnitude of the conduction voltage of the D/A converter (5). The invention can greatly improve the lower limit and minimum resolution of the capacitance integral type weak current measuring circuit system.

【技术实现步骤摘要】
一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器
本专利技术属于微弱电流测量
，具体涉及一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器。
技术介绍
一般将nA(10-9A)量级以下的电流称为微弱电流。在辐射探测、电化学、新型材料等领域的科学研究工作中，经常需要进行微弱电流测量。微弱电流测量难点不仅仅在于待测量的信号幅度非常小，还由于它极容易受到各种类型干扰，有时甚至会被干扰噪声淹没。干扰源的类型不仅仅是电子学噪声，还有电场、磁场和电磁场，甚至机械振动产生的摩擦生电效应，施加外力产生的压电效应，电化学物质与湿气混合形成的电化学噪声和绝缘材料引入的漏电流都会严重影响微弱电流的测量结果，甚至使测量无法正常进行。尤其在进行pA(10-12A)级乃至fA(10-15A)级的微弱电流测量时，这些影响尤其明显。目前微弱电流的测量方法主要有两大类：一类是I-V变换法，该方法通过高值电阻(根据待测量电流的大小，通常在109Ω量级至1011Ω量级)，将待测量微弱电流信号转换为较易测量的电压信号，通过公式便可以计算出电流值；另一类是电容积分法(采用该法的电容积分型微弱电流测量电路见图1)，该方法利用积分电容收集电荷，随着电荷在电容极板上的积累，电容两端的电压逐渐增加，通过计算一定时间内在已知容值电容端电压的变化率，通过公式可以计算出该段时间内电流的平均值。由于电容相对高值电阻的稳定性更好、温度系数更低，并且电容通过积分的方式可以抑制部分类型电子学噪声和外部干扰的影响。因此，电容积分法较I-V变换法更加适合应用于测量精度较高的场合，如电离辐射计量领域中广泛使用基于电容积分法的测量装置完成各种类型电离室输出微弱电离电流信号的测量。基于电容积分法的测量方案中，一个重要的过程是释放电容上积累的电荷，以便进行下一次测量。为了释放这部分电荷，需要加入额外的复位装置。目前，复位装置的实现形式主要通过开关方式和电流源方式两种类型。开关方式，即使用开关与积分电容并联，当开关导通时电容两端短接释放电荷。该方法结构简单，但因对开关断开时引入的漏电流有较高要求，常用的晶体管式开关无法满足要求，故一般采用机械式的干簧管继电器作为开关。该方法的缺点一是由于电容积累了大量电荷继电器导通放电的瞬间会形成大的电流冲击，该电流冲击可能会造成芯片损坏，二是机械式继电器断开瞬间会因机械接触与摩擦产生电荷，积分电容收集后产生电压变化，而产生的电荷量不可控，故会对测量产生影响。因此，一般较多采用电流源方式，该方法使用恒流源输出与输入电流极性相反的电流对电容进行反向充电，使积分电容的电荷完成释放，恒流源电路大多由场效应管或晶体管组成，其组成的恒流源电路关断时的电位与输入端存在电位差，如辐射探测领域中经常使用的电离室其电荷收集极(即电流输出端)电位常在几十毫伏，与恒流源关断时的零电位(或PN结反向偏置电位)存在较大的电位差，该电位差会形成漏电流，多为pA级(10-12A)甚至nA(10-9A)级，该漏电流不仅会产生测量误差，更会影响测量电路的测量下限和最小分辨能力。
技术实现思路
针对目前积分式微弱电流复位装置漏电流大，严重影响电路测量下限和最小分辨能力的问题，本专利技术研制一种低漏电流复位器，该低漏电流复位器的漏电流小于1fA(10-15A)，并且可以实现输出大小可调节的双极性复位电流，从而大幅降低低漏电流复位器对微弱电流测量系统测量下限和最小分辨能力的影响，大幅提高微弱电流测量系统的性能指标。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，连接在对待测微弱电流进行测量的电容积分型微弱电流测量电路上，包括输出端连接复位电流电路的输入端、输入端连接电压跟随器、D/A转换器的输出端的多路复用器，所述复位电流电路的输出端和所述电压跟随器的输入端连接在所述电容积分型微弱电流测量电路的输入端；所述电压跟随器能够复制所述待测微弱电流的电压作为所述复位电流电路的关断电压，所述D/A转换器能够为所述复位电流电路提供极性和大小能够调节的导通电压；当所述多路复用器输出所述关断电压时，所述复位电流电路关断，当所述多路复用器输出所述导通电压时，所述复位电流电路导通，并向所述电容积分型微弱电流测量电路输出复位电流；还包括用于控制所述多路复用器选择输出所述关断电压或所述导通电压、以及控制所述D/A转换器输出的所述导通电压的极性和大小的逻辑控制单元。进一步，所述低漏电流复位器的电路板使用高绝缘性能板材，所述板材至少包括陶瓷板。进一步，在所述复位电流电路的输出端上用于输出所述复位电流的走线周围设置保护环，所述保护环采用所述电压跟随器输出的所述关断电压作为箝位电压，所述保护环做开窗沉金工艺处理，输出所述复位电流的所述走线与所述保护环的走线之间的间隙为15mil。进一步，所述电压跟随器提供的所述关断电压与所述待测微弱电流的电压之间的电位差小于10μV。进一步，当所述逻辑控制单元选择由所述D/A转换器输出所述导通电压时，所述复位电流电路输出的所述复位电流为μA级复位电流，所述复位电流的极性和大小由所述D/A转换器输出的所述导通电压的极性和大小决定。进一步，所述复位电流电路包括并联在所述复位电流电路的输入端和输出端之间的电阻R1和电阻R2；所述电阻R1串联一个二极管D2，所述二极管D2位于所述电阻R1和所述输入端之间，所述电阻R1位于所述二极管D2的正极一侧；所述电阻R2串联一个二极管D1，所述二极管D1位于所述电阻R2和所述输入端之间，所述电阻R2位于所述二极管D1的负极一侧，所述电阻R1、电阻R2作为所述复位电流电路导通时的限流电阻防止所述复位电流过大，也作为所述复位电流电路关断时的分压电阻降低所述二极管端电压；所述电阻R1、电阻R2为金属膜电阻，阻值为1MΩ；所述二极管D1、二极管D2均为低反向偏置泄漏电流二极管PAD1；由所述电阻R1、二极管D2组成的线路和由所述电阻R2、二极管D1组成的线路分别用于所述D/A转换器输出的不同极性的所述复位电流；所述复位电流电路输出的复位电流大小IReset由公式(VDAC-VDiode)/R得到，其中VDAC为所述D/A转换器输出的所述导通电压，VDiode为所述二极管D1、二极管D2导通时电压，R为所述限流电阻的阻值。进一步，所述D/A转换器输出的所述导通电压的绝对值不小于1V。进一步，所述电压跟随器采用JFET级超低偏置电流Ib、低失调电压Vos的放大器，所述放大器配制成正相跟随器。进一步，所述复位电流电路、电压跟随器所组成的复位电流电路设置在金属屏蔽盒内，并靠近所述电容积分型微弱电流测量电路。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术通过采用低偏置电流Ib和低失调电压的电压Vos的电压跟随器6，将微弱电流输出端的电压即电压跟随器6的输入端的电压作为用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器的关断电压，将复位电流电路3的关断电压和电容积分型微弱电流测量电路2的输入端的电压差由mV量级(10-3V)降低至μV量级(10-6V)，大幅度降低了复位电流电路3的漏电流水平。2.本专利技术的复位电流电路3采用低反向偏置漏电流二极管与高值电阻串联的连接方式，使用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器在关断状态下的等效电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，连接在对待测微弱电流(1)进行测量的电容积分型微弱电流测量电路(2)上，其特征是：包括输出端连接复位电流电路(3)的输入端、输入端连接电压跟随器(6)、D/A转换器(5)的输出端的多路复用器(4)，所述复位电流电路(3)的输出端和所述电压跟随器(6)的输入端连接在所述电容积分型微弱电流测量电路(2)的输入端；所述电压跟随器(6)能够复制所述待测微弱电流(1)的电压作为所述复位电流电路(3)的关断电压，所述D/A转换器(5)能够为所述复位电流电路(3)提供极性和大小能够调节的导通电压；当所述多路复用器(4)输出所述关断电压时，所述复位电流电路(3)关断，当所述多路复用器(4)输出所述导通电压时，所述复位电流电路(3)导通，并向所述电容积分型微弱电流测量电路(2)输出复位电流；还包括用于控制所述多路复用器(4)选择输出所述关断电压或所述导通电压、以及控制所述D/A转换器(5)输出的所述导通电压的极性和大小的逻辑控制单元(7)。

【技术特征摘要】
1.一种用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，连接在对待测微弱电流(1)进行测量的电容积分型微弱电流测量电路(2)上，其特征是：包括输出端连接复位电流电路(3)的输入端、输入端连接电压跟随器(6)、D/A转换器(5)的输出端的多路复用器(4)，所述复位电流电路(3)的输出端和所述电压跟随器(6)的输入端连接在所述电容积分型微弱电流测量电路(2)的输入端；所述电压跟随器(6)能够复制所述待测微弱电流(1)的电压作为所述复位电流电路(3)的关断电压，所述D/A转换器(5)能够为所述复位电流电路(3)提供极性和大小能够调节的导通电压；当所述多路复用器(4)输出所述关断电压时，所述复位电流电路(3)关断，当所述多路复用器(4)输出所述导通电压时，所述复位电流电路(3)导通，并向所述电容积分型微弱电流测量电路(2)输出复位电流；还包括用于控制所述多路复用器(4)选择输出所述关断电压或所述导通电压、以及控制所述D/A转换器(5)输出的所述导通电压的极性和大小的逻辑控制单元(7)。2.如权利要求1所述的用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，其特征是：所述低漏电流复位器的电路板使用高绝缘性能板材，所述板材至少包括陶瓷板。3.如权利要求1所述的用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，其特征是：在所述复位电流电路(3)的输出端上用于输出所述复位电流的走线周围设置保护环，所述保护环采用所述电压跟随器(6)输出的所述关断电压作为箝位电压，所述保护环做开窗沉金工艺处理，输出所述复位电流的所述走线与所述保护环的走线之间的间隙为15mil。4.如权利要求1所述的用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，其特征是：所述电压跟随器(6)提供的所述关断电压与所述待测微弱电流(1)的电压之间的电位差小于10μV。5.如权利要求1所述的用于电容积分型微弱电流测量电路的低漏电流复位器，其特征是：当所述逻辑控制单元(7)选择由所述D/A转换器(5)输出所述导通电压时，所述复位电流电路...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪宁，宋明哲，高飞，魏可新，张曦，徐阳，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11