单端电流输入与运算放大器

1万 · 2013-12-24 20:38

PLC 系统中提到的电流输入，是特指调理工业界内用来传递模拟信号的 0－20mA 或 4
－20mA 电流源的输出电流信号。除此之外，我们有时候需要调理一些微弱电流信号，如
光电二极管的输出的 uA 甚至 nA 级的输出信号，这也可以看作是电流源输出；另外，我们
常常需要监视系统的电源供电电流，对短路和过载提供及时保护，这可以看作是一个电压
源输出，在变化的负载上输出恒定的电压和变化的电流，我们常常用并联电流监视器来完
成过流保护。

跨阻放大器与微弱信号调理
对于微弱电流信号的调理，如上图，常使用跨阻放大器的方法，这里的放大器应该选
择 FET 或 JFET 型的放大器，从而提供极高的输入阻抗和极低的输入偏置电流，减小误差。
在跨阻放大器的设计中，由于 RF 非常大，因此添加合适的 CF 来保持放大器电路的稳定常
常是必不可少的设计步骤之一。另外，为运放的输入级提供保护环和屏蔽能进一步提高测量的精度。

除了低偏置电流的 FET 型放大器，开关电容积分器在微弱电流的检测之中也占据了重
要的地位，例如独立的 I-V 开关电容积分器 IVC102 和 ACF2302。此外，TI 的 DDCxxx，
如 DDC112，在开关电容积分器后端集成了 20 位的 Delta-Sigma 转换器，为高精度微弱电
流测量提供了最高集成度的解决方案，在诸如 X 光扫描等多通道光电转换中得到广泛应用。
在另外一些应用中，需要检测的电流可能跨度较大，比如从 pA 级到 mA 级间变化，
如果是采用通用放大的方法，很难兼顾从 pA，nA，uA，mA 多达 3－4 个 10 倍量程的信
号跨度，很可能在 mA 级电流已经导致输出饱和的时候，pA 级的信号只能输出 nV 级的电
压。联想一下我们在波特图横轴的频率轴上使用 10 倍频程，和纵轴上表现放大倍数的 dB，
其实都是取对数的结果。对数（log）的最大好处就是可以用差别不大的数字来表示大跨度
的信号，如从 1 到 1000000，以 10 为底的对数上只是从 0 到 6。于是，我们可以用对数放
大器来调理这种动态范围较大的电流输入信号。
对数放大器是多用途集成电路，可计算出输入电流相对于基准电流的对数值，或是两
个输入电流比值的对数。对数放大器可将一个极为宽广输入动态范围（可高达 10 的八次方）
压缩至一个易于测量的电压范围。精确匹配的双极型晶体管确保了大输入电流范围内都能
有卓越的对数一致性。片上补偿实现了宽运转温度范围内的精确缩放。

器件  简介
价格
(美元)
(单位:片)
封装
OPA129U  超低偏置电流 IB=100fA，DiFET 运放，GBW=1MHz  4  SOIC
IVC102U  精密开关电容跨阻放大器，GBW=2MHz, Max IB=750fA  6.25  SOIC
DDC112U  电流输入 20 位 Delta-Sigma 转换器，双通道  17.55  SOIC
LOG114RGVT  精密低噪声对数放大器,输入电流从 100pA 到 10mA  6.2  VQFN