电路方案分析（十一）低电平（5uA）V-I转化器

低电平（5uA）V-I转化器

tips：TI设计方案参考分析：TI Designs：ZHCUO65

1.设计需求
2.工作原理
3.器件选择
4.仿真
5.PCB设计
6.测量验证结果
7.不同的配置

电路描述
这个微型放大器电压- 电流 (V-I) 转换器为一个负载传送一个高精度低电平电流。 这个设计由单个 5V 电源供电运行，并且使用一个高精度低漂移运算放大器和仪表放大器。 简单修改就能够改变 V-I 转换器的范围和精度。

1.设计需求
（1）电源电压：直流5V；
（2）输入：0—5V直流；
（3）输出：0uA—5uA；

2.工作原理

Figure 2 中显示了针对这个设计的更加完整的电路原理图。 这个电路的 V-I 转换功能基于输入电压，V 输入，
R 设定之间的关系，以及仪表放大器 (INA) 增益。 运行期间，被 INA 增益拆分的输入电压出现在置位电
阻器上(V 设定=V 输入/GINA)。 流经 R 设定的电流必须流过负载，所以 I 输出为 V 设定 / R 设定。 I 输出将保持一个良好调节的电流，只要 R 设定和 R 负载上的总电压不违反运算放大器的输出限值，或者 INA 的输入共模限值。

这个设计的传递函数为：

（1）简化后的复合放大器

将电流源视为一个复合放大器将有助于解释其工作原理。 INA，U2，是一个运算放大器 U1 的反馈内部的固定增益模块。 运算放大器被配置为一个单位增益电压跟随器，所以施加到输入 (V 输入) 上的电压将被增益为1进行放大，并且出现在复合放大器的输出上 (VOUT_INA = V 输入 x 1)。 INA 的输入需要它的输出被增益拆分 (VINA_IN =VOUT_INA / GINA 或者代入 VINA_IN = VIN / GINA)。 Figure 4 中显示的示例演示了这个具有 1V 输入信号的概念。

（2）电流输出部分
Figure 4 显示了 I 至 V 转换器的基本框图。 置位电阻器上的电压（V 设定）是由 INA 增益拆分的输入电
压（例如 V 设定= 1V / 10 = 0.1V）。 此电流由 V 设定和 R 设定 (I 输出 = V 设定 / R 设定 = 0.1V / 100kΩ =
1µA)。

（3）设置INA的增益

外部组件（R1，R2 和 C2）被用来设定 INA 增益。 INA 增益将确定电流设置电阻器 (R 设定) 上的最大电
压。 例如，如果增益为 10V/V，R 设定上的最大电压为 0.5 V (VSET_MAX = VS / GINA = 5V /10 = 0.5V)。 大
大减少 R 设定上的电压可在负载上实现更宽的电压范围。 在这个示例中，负载电压可以高达 4.5V（最大负
载电压= VS – V 设定 = 5V – 0.5V = 4.5V）。 使用一个较大的增益有可能进一步减少 R 设定上的压降，但
是会引入其它问题。 部分 6.5 详细介绍了依从性问题。 部分 7.2 也包括了选择不同 INA 增益设置时
的权衡考虑。 在这个示例中，增益被设定为 10V/V。
Table 2 显示了摘选自 INA326 数据表中的内容，
此内容被用来选择增益设定组件 (GINA= 10V/V, R1 = 40.2kΩ, R2 = 200kΩ, C2 = 0.5nF)。 请注意，
40.2kΩ 是最接近 40kΩ 的标准值，所以实际上，增益被设定为 9.95V/V。 由于这个电路针对最高精度
进行了校准，所以这实际上不是个问题。

（4）设定输出电流范围
输出电流范围由最大设定电压 (VSET_MAX) 和设定电阻 R 设定确定。 如部分 2.3 中指出的那样，VSET_MAX取决于电源电压和增益。 R 设定被选择用来设定输出电流范围(R 设定 = VSET_MAX / IOUT_RANGE = 0.5 V / 5 μA = 100 kΩ)。

（5）补偿器件
外部器件（C1，C3 和 C4）被要求使 V 至 I 转换电路稳定。 这些器件的值将针对不同的运算放大器和仪
表放大器而变化。 这些器件形成一个针对运算放大器的交流反馈路径，此路径防止闭环响应中的峰值。 由于 INA326 和 OPA333 的稳定性补偿器件和固有的带宽限制，系统的闭环频率响应很低。

3.器件选择
（1）运放的选择
这个设计是一个高直流精密低电平（微放大器）电流源。 为获得一个稳定直流输出电流，运算放大器 (U1)
关键特性是输入偏移电压 (Vos) 和偏移漂移 (ΔVos/ΔT)。 由于所需的输入范围介于 0V 至 5V 之间，
需要一个轨至轨输入的放大器。 此外，为了避免在输入共模范围内共模电压带来的误差，需要良好的共模
抑制比 (CMRR)（110db 或更佳）。

（2）INA的选择
低失调电压、低失调电压漂移和低偏置电流是仪表放大器选择的关键特性。 低增益误差和低增益误差漂移是第二位需考虑的特性。 由于这个电路在 25 °C 时校准，漂移特性比绝对精度更加重要。 INA 的另外一个重要特性是其共模输入范围和输出摆动范围。 INA326 放大器具有高于电源轨的共模范围（即，-0.02V< Vcm < 5.1V）。 此外，与很多仪表放大器一样，共模范围与增益或基准电压无关。 输出能够在负载为 25µA 时摆动至非常接近于电源轨 (5mV)。 这个出色的共模和输出摆幅可实现很好地负载依从性（例如，负载电压的范围接近 0V 至 5V）。

（3）无源器件的选择
这个设计的关键无源组件是三个电阻，R1，R2 和 R 设定，它们是转换功能的一部分。 为了减少增益误差，使
用了 0.1%，20 ppm/°C 电阻。 电阻的低温度漂移 (20 ppm/°C) 对于获得稳定结果十分重要，即使在电路运行在室温环境中时也是如此。 请牢记，即使在良好控制的环境中，室温会在几分钟内变化 +/-2 °。 为了获得最优性能，应该将电路校准。

这个设计中的其它无源组件的选择可以为 1% 或更大，这是因为它们将不直接影响这个设计的转换功能。

4.仿真

（1）直流转换功能

（2）阶跃响应

可以看到此设计的阶跃响应。 结果显示运算放大器的输出，INA 和电流输出用很少的过冲和振铃稳定至适当的值。 这表明此设计是稳定的。

（3）V-I转换的输入电压
为了测试最大和最小的线性 V-I 转换电压，输入电压针对不同的负载电阻器扫过整个范围（0V 至 5V）。
仿真显示最大线性电压受到电源电压的限制（也就是说，VOUT_OPA_MAX = V 电源/(R 负载 + R 设定) ）。

5.设计文件

（1）原理图设计

（2）PCB布局布线
在这个设计中使用了针对精密 PCB 布局布线的总原则。 例如，迹线长度被保持尽量短，特别是针对去耦
合以及反向放大器输入。 这大大减少了电磁干扰 (EMI) 拾取并减少了寄生电容。 INA326 上的增益设定电阻R1，对寄生电容特别敏感，所以移除了这个电阻器下方附近的接地层。

（3）PCB的清理
由于这个 V 至 I 转换电路传送极低的电流，正确清理 PCB 十分重要，以避免残留焊剂所导致的寄生泄露路径； 使用一个专业的超声波清洁器来进行最初清理，之后使用异丙醇进行二次清理。 避免触摸电路板和对着电路板呼气。 请确保将电路板储存在清洁干燥的环境中。

6.测量验证结果

（1）环境搭建
测量低电平 V 至 I 转换电路中使用的常用预防措施

这个电路的目的是为了生成具有精度和稳定性的微安培级别的电流进入毫微放大器。 必须使用一个高精度电压源和电流表来生成输入电压并且测量这个电路的输出电流。 此外，V 至 I 电路板应该被放置在屏蔽的环境中以大大减少噪声拾取。 应该使用屏蔽电缆（例如，同轴电缆或屏蔽双绞线）来将测试设备连接至 V 至 I 电路板。 Figure 12 显示了用来测量低电流输出的测试设备设置。

（2）线性输出范围
理想情况下，这个电路将能针对任一负载电阻输出 0µA 至 5µA。 然而，由于当运算放大器输出接近任何一个电源轨时，电流受到限制，只在一定的电阻范围内可实现线性输出电流范围。 此线性定义了输出电阻或电流限制并且基于 1) 电源电压，2) 负载电容，3) 当其输出接近电源轨时，运算放大器线性。
因此，有可能看见针对满量程（例如，5µA）和最小量程（例如，0µA）输出电流的限制。 最大输出电流限制由等式 14 和 15 给出。 这个限制在运算放大器输出接近正电源轨时出现。 Figure 20 图示了这个关系。
能够使用 TINA-TI™ SPICE 来确认这个关系。 对于 IOUT_MAX<IOUT_FULL_SCALE ，等式 14 可被用来计算 IOUT_MAX ，否则，使用等式 15 计算。

其中，IOUT_MAX是线性限制之前可以传送的最大电流，而 IOUT_FULL_SCALE 是此设计的满量程范围（在这个情况下为 5µA）。
例如，假定 R 负载= 1 MΩ。

由于运算放大器输出接近负电源轨，最小输出电流限制出现。 请注意，运算放大器输出是负载电压和设
定电压的总和(VOPA_OUT = V 负载 + V 设定)。 对于低电流和低输出电阻，运算放大器输出电压接近 0V 并且变得非线性。
通常情况下，从电源轨技术规格的电压摆幅被用来确定放大器输出能够多接近负电源轨，如Table 3 中所示。 然而，在这个情况下，相对于技术规格表中的测试条件，运算放大器输出电流很低，所以运算放大器能够摆动至比表中显示的更接近于接地的位置。 这个情况下一个更好的技术规格是如 Table 4 中显示的开环增益 AOL 技术规格。 AOL 技术规格中的测试条件表示，AOL 并不是针对比电源轨少 100mV 的输出而指定。 对于比电源轨少 100mV 的输出，AOL 将被降级。 降级的 AOL 将导致针对比电源轨少 100mV 的输出的非线性误差。 这个运行方式不能使用 TINA-TI™ SPICE 进行确认。

根据 Table 4，我们知道对于少于 100mV 的输出， OPA333 的输出将变成非线性。 运算放大器输出电压在串联电路 R 设定和 R 负载上。 可使用等式 16 等式 17 来轻松计算出避免 100mV 非线性区域所要求的最小输出电流，等式 18 给出了针对 100Ω 和 100kΩ 负载显示最小输出的示例计算。 Figure 21 图示了宽范围电阻上的等式 16。

7.不同的配置

（1）不同的运算放大器
为这个设计所选择的器件基于设计过程开头列出的设计目标。 选择诸如 OPA333 的斩波稳定放大器移除了大多数通常由这个设计中的放大器所导致的直流误差和漂移。 校准可被用来获得最高精度。

（2）增益配置
仪表放大器的增益被设定为 10V/V 的增益，以改进依从性。 对于 5V 的满量程输入，设定电阻器上的电压为 0.5V，此电压值可以使负载电压达到 4.5V。令人遗憾的是，使用一个 10V/V 的增益将在低电阻负载由低电流电平驱动时（例如，100Ω x 0.1 µA），降低性能。 在这个情况下，运算放大器的总输出电压接近接地电平，并且变为非线性（例如，VOPA = V 设定 + V 负载 = 0.01V + 10µV = 0.01V）。

在低值电阻负载由低电流电平驱动的情况下，可以使用一个较低增益（例如，GINA= 1V/V）。 例如，如果一个 100µA 负载被一个 0.1µA 电流驱动时，运算放大器输出电压将大约为 0.1V。然而，进行这个改变将降低针对较大负载的依从性。

（3）配置不同的电流输出范围
在这个设计中实现高精度的，很大程度与低电流设计有关。 例如，需要仔细和彻底地清理电路板，这是因为我们尝试获得一个稳定在毫微安培的微安培信号。 如果此电路的输出电流比较大（例如，100µA），那么对于微弱电流设计的注意事项（例如，清理）将不是那么关键。 另一方面，如果输出针对更低的电流（例如，100nA），那么为了实现最高精度，也许需要其它专门的微弱电流技术。 例如，一个超低电流基准也许要求保护、低摩擦静电效应电缆、特殊材料、特别精密电阻和很多其它防护措施。