pA电流放大电路

卓老师，您好，想请教您一个问题，我正在diy一个pA数据采集器 ，使用的是ADA4530，想要测量50pA~100pA左右的电流 ，宽想在10KHz，测试过程中发现一个现象无法理解。

01 问题提出

今天凌晨看到公众号后台有位同学提出一个问题，关于他自己DIY制作的pA电路采集电路中遇到的奇怪现象。

卓老师，您好，想请教您一个问题，我正在diy一个pA数据采集器 ，使用的是ADA4530，想要测量50pA~100pA左右的电流 ，宽想在10KHz，测试过程中发现一个现象无法理解。

图1.1 放大电路板的正面照片

图1.2 放大电路LTspice仿真电路图

图1.3 电路的幅频响应曲线

图1.4 电路的供电电源部分

使用不同频率正弦信号，输出有一段被放大太多，然后再衰减 ，这个4KHz到14KHz的输出幅值，我不知道什么原因导致，想请教您帮我指点一下方向。

02 问题分析

一、提问分析与假设

由于上述问题是在微信公众号后台提出的，回复和讨论都不是很方便。提出留言中给出的信息比较有限，所以只能对一些测量过程做如下的假设：

●   该电路所获得的数据都是由LTspice 仿真软件测量得到的；

●   测量信号是由电路中Vin1输入，测量结果是由Out4获得；

二、电路分析

实验电路的组成应该是包括两部分，前面由ADA4077组成的电压并联负反馈信号处理部分，以及后面有ADA4053组成的 I/V 信号转换与放大部分。

1、信号输入转换电路

前面由ADA4077组成的电路，它的输入为电压人员Vin，输出为OUT。按照这个测试电路的功能来看这个电路应该是用于产生测试信号的电路，也就是能够输出不同幅度的电流源。但这个电路属于电压并联负反馈电路，即将输出的电压进行积分反向放大后，经过R4,R6 两个电阻并联在电路输入端。这就无法达到输出为恒流源的目的呀。

图2.2.1 输入信号转换部分

该电路前向放大部分是一个低通，反向积分又使得电路直流增益为0，所以它本质上是一个带通电路。

前向放大部分是由U3,U1组成的一阶低通滤波同相放大器，它的截止频率是由R8,C1决定，根据参数，截止频率为  

电压反向积分电路使得上述电路直流增益为0，对于交流放大的起始频率是由R5,C6,C5,R7决定。粗略由R5，C6可是计算出电路的起始频率  

下面是在LTspice中搭建的仿真电路，并测量它的小信号的幅频特性。

图2.2.2 LTspice仿真电路

仿真结果验证了上述电路是一个从 0.007Hz 到16Hz之间的带通放大电路。

图2.2.3 LTspice 仿真结果

2、电流电压转换电路

下面是原来电路信号放大部分，它主要有三级放大组成：

●   第一级是由高阻输入U2:ADA4530完成电流至电压的转换。这是一个最大增益为10倍的高通滤波器；

●   第二级是由U6:ADA4077组成的高通滤波器，最大增益为3；转换频率由R11，R12,C4决定，大约为1.2kHz；

●   第三部分是由U5:ADA4077组成的100倍的反向放大电路。

图2.2.4 电路的放大部分

下面是在LTspice中搭建的仿真电路。

图2.2.5 LTspice电路仿真

下面是电路的幅频特性。可以看到在1.2kHz之前电路放大倍数每倍频6dB上升，超过1.2kHz之后电路放大倍数以大约12dB每倍频上升，在18kHz左右增益达到最大。

超过18kHz电路增益下降的原因主要有以下两部分组成：

●   由R3,C3确定了U2对应的高通转折频率，大约为15.9kHz；

●   运放ADA4540,ADA4077等带宽限制了高频的增益；

图2.2.6 电路的幅频特性

3、全电路幅频特性

将上面两个电路串联在一起，在LTspice进行仿真。

图2.2.7 全电路仿真

可以看到电路在超过1kHz之后，增益上升，这是由前面第二部分电路在高频增益提升是12dB每倍频速度所导致。尽管前级信号放大在高频是衰减的，但整体幅频特性是上升的。

图2.2.8 电路的频率特性

总结

本文对公众号后台一款DIY皮安电流放大电路进行了分析。这个问题原本是同学提出的，但他所提供的信息有限，所以只能就电路原理本身以及仿真结果进行讨论。从分析中来看：

电路的前一半似乎作为恒流源存在着原理上的问题，这个电路是一个电压并联带通放大电路。无法产生给定恒流测试信号；

后级电流转换电路则是一个高通电路，原则上应该设计RC对应的频率来补偿电路运放的高频特性不足。但仿真结果无法给出实际器件的放大特性。

来源：TsinghuaJoking，卓晴