pA電流放大電路

卓老師，您好，想請教您一個問題，我正在diy一個pA數據采集器 ，使用的是ADA4530，想要測量50pA~100pA左右的電流 ，寬想在10KHz，測試過程中發現一個現象無法理解。

01 問題提出

今天凌晨看到公眾號后臺有位同學提出一個問題，關于他自己DIY制作的pA電路采集電路中遇到的奇怪現象。

卓老師，您好，想請教您一個問題，我正在diy一個pA數據采集器 ，使用的是ADA4530，想要測量50pA~100pA左右的電流 ，寬想在10KHz，測試過程中發現一個現象無法理解。

圖1.1 放大電路板的正面照片

圖1.2 放大電路LTspice仿真電路圖

圖1.3 電路的幅頻響應曲線

圖1.4 電路的供電電源部分

使用不同頻率正弦信號，輸出有一段被放大太多，然后再衰減 ，這個4KHz到14KHz的輸出幅值，我不知道什么原因導致，想請教您幫我指點一下方向。

02 問題分析

一、提問分析與假設

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由于上述問題是在微信公眾號后臺提出的，回復和討論都不是很方便。提出留言中給出的信息比較有限，所以只能對一些測量過程做如下的假設：

●   該電路所獲得的數據都是由LTspice 仿真軟件測量得到的；

●   測量信號是由電路中Vin1輸入，測量結果是由Out4獲得；

二、電路分析

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實驗電路的組成應該是包括兩部分，前面由ADA4077組成的電壓并聯負反饋信號處理部分，以及后面有ADA4053組成的 I/V 信號轉換與放大部分。

1、信號輸入轉換電路

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前面由ADA4077組成的電路，它的輸入為電壓人員Vin，輸出為OUT。按照這個測試電路的功能來看這個電路應該是用于產生測試信號的電路，也就是能夠輸出不同幅度的電流源。但這個電路屬于電壓并聯負反饋電路，即將輸出的電壓進行積分反向放大后，經過R4,R6 兩個電阻并聯在電路輸入端。這就無法達到輸出為恒流源的目的呀。

圖2.2.1 輸入信號轉換部分

該電路前向放大部分是一個低通，反向積分又使得電路直流增益為0，所以它本質上是一個帶通電路。

前向放大部分是由U3,U1組成的一階低通濾波同相放大器，它的截止頻率是由R8,C1決定，根據參數，截止頻率為  

電壓反向積分電路使得上述電路直流增益為0，對于交流放大的起始頻率是由R5,C6,C5,R7決定。粗略由R5，C6可是計算出電路的起始頻率  

下面是在LTspice中搭建的仿真電路，并測量它的小信號的幅頻特性。

圖2.2.2 LTspice仿真電路

仿真結果驗證了上述電路是一個從 0.007Hz 到16Hz之間的帶通放大電路。

圖2.2.3 LTspice 仿真結果

2、電流電壓轉換電路

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下面是原來電路信號放大部分，它主要有三級放大組成：

●   第一級是由高阻輸入U2:ADA4530完成電流至電壓的轉換。這是一個最大增益為10倍的高通濾波器；

●   第二級是由U6:ADA4077組成的高通濾波器，最大增益為3；轉換頻率由R11，R12,C4決定，大約為1.2kHz；

●   第三部分是由U5:ADA4077組成的100倍的反向放大電路。

圖2.2.4 電路的放大部分

下面是在LTspice中搭建的仿真電路。

圖2.2.5 LTspice電路仿真

下面是電路的幅頻特性。可以看到在1.2kHz之前電路放大倍數每倍頻6dB上升，超過1.2kHz之后電路放大倍數以大約12dB每倍頻上升，在18kHz左右增益達到最大。

超過18kHz電路增益下降的原因主要有以下兩部分組成：

●   由R3,C3確定了U2對應的高通轉折頻率，大約為15.9kHz；

●   運放ADA4540,ADA4077等帶寬限制了高頻的增益；

圖2.2.6 電路的幅頻特性

3、全電路幅頻特性

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將上面兩個電路串聯在一起，在LTspice進行仿真。

圖2.2.7 全電路仿真

可以看到電路在超過1kHz之后，增益上升，這是由前面第二部分電路在高頻增益提升是12dB每倍頻速度所導致。盡管前級信號放大在高頻是衰減的，但整體幅頻特性是上升的。

圖2.2.8 電路的頻率特性

總結

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本文對公眾號后臺一款DIY皮安電流放大電路進行了分析。這個問題原本是同學提出的，但他所提供的信息有限，所以只能就電路原理本身以及仿真結果進行討論。從分析中來看：

電路的前一半似乎作為恒流源存在著原理上的問題，這個電路是一個電壓并聯帶通放大電路。無法產生給定恒流測試信號；

后級電流轉換電路則是一個高通電路，原則上應該設計RC對應的頻率來補償電路運放的高頻特性不足。但仿真結果無法給出實際器件的放大特性。

來源：TsinghuaJoking，卓晴