100pA-1μA量程的微弱电流源制造技术

本发明专利技术公开一种100pA-1μA量程的微弱电流源，包括控制单元、显示单元、输入单元、D/A转换单元、基准电压源、差动放大单元、电压电流变换单元和负反馈单元，其中，控制单元的输入端连接输入单元，输出端分别连接显示单元和D/A转换单元；D/A转换单元将控制单元的数字量转换为模拟量，送入差动放大单元；差动放大单元的输出端连接电压电流变换单元的输入端，而电压电流变换单元的输出端经由负反馈单元连接差动放大单元的输入端，将输出电压与预置电压进行叠加。此种结构可解决现有电流源不能实现微弱电流输出、输出电流易受负载影响的缺点，消除负载对输出电流的影响，克服输出电流范围小的缺点，实现电流100pA-1μA量程可调的微弱电流输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数控宽量程电流源，特别是一种在IOOpA-I μ A量程的微弱压控电流源。
技术介绍
微弱电流源在许多研发和产品测量应用中是关键的仪器，尤其是在半导体、纳米技术和超导体等方面有着广泛的应用。电流源主要有电容式、电阻式、电离式三种，对于电阻式电流源而言，尽管电流源的电路形式各种各样，但是其电路思想基本一样，通过电阻， 采用电压-电流变换将标准的电压信号变换成与之成比例的电流信号，在输入电压不变的情况下，变换得到的电流也恒定。这种方式简单，实现方便，但由于恒流源的应用电路中负载的阻抗不确定，而负载对恒流源的影响是非常大的，特别是在精度高的场合，这一问题更加突出。为了解决这一问题，出现了一种基于反馈思想的技术方案，图1所示即是一种此类恒流源电路，参考电压VMf送入运算放大器的同向输入端，运放的输出端接负载，电流采样电阻R将输出端的电流转换为电压，进入运放的反向输入端构成负反馈。设运算放大器是个理想的，其开环增益足够大，即两输入端的电位近似相等。同时设运算放大器的输入基极电流L=O ；则由运算放大器的性质，可得Vref_V。ut_IloadR( 1 )即在Vref不变的情况下，流过负载Rkjad的电流I^d与R有关，从而实现了电流的恒定输出O然而，图1所示的恒流源电路存在两个问题(1)运放反向输入端的偏置电流和失调电压会影响电路的精度，尤其是对于微安级及以下的电路影响很大；(2)在此电路中，负载没有共地。由于在地线上串入了电阻，流入地电平的电流将在取样电阻上产生电压，此电压将以地电平噪声的形式出现在系统的所有地节点上，这样将严重影响电路的精度。因此，这一类恒流源的输出电流在mA级以上，并不能用于进行微弱电流的输出。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的缺陷和不足，提供一种 IOOpA-I μ A量程的微弱电流源，其可解决现有电流源电路的缺点，消除负载对输出电流的影响，克服现有电流源输出电流范围小的缺点，实现电流IOOpA-I μ A量程可调的微弱电流输出。本专利技术为解决上述技术问题，采用的技术方案是一种IOOpA-I μ A量程的微弱电流源，包括控制单元、显示单元、输入单元、D/A转换单元、基准电压源、差动放大单元、电压电流变换单元和负反馈单元，其中，控制单元的输入端连接用于输入预置电流值的输入单元，输出端连接显示单元，并将预置电流值送入显示单元进行显示；控制单元的输出端还连接D/A转换单元的输入端，将输入单元输入的电流值模拟量转换为数字量，并送入D/A转换单元；D/A转换单元将来自控制单元的预置电流值数字量转换为模拟量，送入差动放大单元的输入端，所述的D/A转换单元的输入端还连接基准电压源，借助基准电压源实现与控制单元的输入量的比较；差动放大单元的输出端连接电压电流变换单元的输入端，电压电流变换单元的输入端还连接控制单元，通过控制电压电流变换单元来实现多量程的电流转换，而电压电流变换单元的输出端经由负反馈单元连接差动放大单元的输入端，将输出电压与预置电压进行叠加。采用上述方案后，本专利技术可消除负载对电流的影响，电路中噪声和漏电流对输出电流的影响得到减弱，同时，等效内阻可达2. 5X 10μΩ。附图说明图1是现有恒流源电路的连接图； 图2是本专利技术的整体架构图3是本专利技术中控制单元的电路实例图； 图4是本专利技术中微弱电流产生单元的内部电路图； 图5是图4的等效内阻电路图6是标准电压在IV时，电阻与输出电流的对应关系图； 图7是InA-IOnA时电流实际与理论输出的关系图。具体实施例方式以下将结合附图及具体实施例，对本专利技术的结构及工作原理进行详细说明。如图2所示，本专利技术提供一种IOOpA-I μ A量程的微弱电流源，包括控制单元1、显示单元2、输入单元3、D/A转换单元4、基准电压源5、差动放大单元6、电压电流变换单元7 和负反馈单元8，下面分别介绍。在本实施例中，控制单元1采用单片机，其输入端连接输入单元3 (本实施例中采用键盘)，可通过输入单元3输入预置电流值，而控制单元1将预置电流值由模拟量转换为数字量进行输出，并根据预置电流值生成控制命令；控制单元1的输出端连接显示单元2， 由输入单元3输入的预置电流值可由该显示单元2同步显示，供操作者进行参考。D/A转换单元4采用直接电压输出型的AD558，其输入端连接控制单元1的输出端，接收数字量形式的预置电流值，转换为模拟量后，再送入差动放大单元6 ;D/A转换单元 4的输入端还连接基准电压源5，利用该基准电压源5产生基准数值，用于与控制单元1传送的电流值进行比较。高共模的差动放大单元6采用动态自动校零运算放大器ICL7650，其输出端连接电压电流变换单元7的输入端，将经过放大处理的模拟量送入电压电流变换单元7，再由电压电流变换单元7进行电压电流转换，产生相应的电流信号。电压电流变换单元7的输入端还连接控制单元1，由控制单元1控制选择电压电流变换单元7的量程输出，具体来说，配合图4所示，根据控制单元1的控制命令，控制电子开关ADG508 (也即图4中的电子开关S1-S5)选择电压电流变换的高值电阻，来实现不同量程的电流输出；电压电流变换单元7的输出端一方面用于进行恒流输出，同时还连接负反馈单元8的输入端。负反馈单元8用于采样电压电流变换单元7输出端的电压，并叠加在高共模的差动放大单元6的输入端，从而达到恒流的目的。具体来说，配合图3所示，是本实施例给出的控制单元1与D/A转换单元4、电压电流变换单元7、输入单元3和显示单元2的一个电路连接结构，其工作方式为控制单元1控制输入单元3输入要输出的电流值，同时控制其电流值的显示，并且控制D/A转换单元4和电压电流变换单元7的量程。从而实现电流的数控和多量程的电流输出。配合图4对微弱电流的产生原理进行详细说明，以下将对微弱电流的产生原理进行详细说明，其中，运算放大器Al、A2构成高共模输入差动比例放大器，A3为电压跟随器，A4为反向放大器，当负载增大或被检测仪器的失调电压增大时，输出电流在输出端产生电压降增大，输出的电流减小，此时，检测电路检测输出端的电压降，由A3、A4构成的电路，根据该电压降调整输出电压V。ut，保证精密电阻器R上的电压始终等于基准电压，即 Vout-Vload=Vref,使得输出电流等于Vref/R，从而达到恒流的目的。电路中因产生很微弱，构成电压电流变换单元的电路在电路板上可能有漏电流， 就会产生误差，本实施例中采用聚四氟乙烯接线柱的方法，浮空。因采用高值电阻器，其稳定性直接影响电路的性能。影响高值电阻稳定性的一个重要因素是环境湿度，这是因为潮湿的空气能在高值电阻器表面形成一层水膜，特别是高值电阻器表面被污染后，附着的灰尘、盐分等易电离的物质溶解于水膜中，而水膜具有一定的导电特性，形成泄漏电流，从而显著降低高值电阻器的电阻值，因此在本实施例中采用低吸湿性绝缘漆的高值电阻器，从而环境湿度对电阻值的影响明显降低；降低湿度对高值电阻器影响的另一种方法是将高值电阻器密封在真空玻璃管内，电阻膜更不容易腐蚀、氧化和损伤，电阻值比较稳定，真空管内部泄漏电流可以忽略，同时，电路中必须采用漏电保护技术，就是强制将电路中的一个低阻节点与高阻输入节点近视等电位的一种技术，在高值电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：雷升杰，魏志勇，方美华，陈国云，张紫霞，黄三玻，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：