可编程微电流放大电路的设计

【摘 要】为了使微电流测量时放大倍数可根据实际需要控制，介绍了一种基于可编程放大器LMP8100的微电流测量方法，它适用于变化范围较大的微电流测量。该放大器具有量程可调节、高分辨率、响应速度快和抗干扰稳定性好以及价格低廉等优点。

【关键词】微电流测量；量程可调节；LMP8100可编程放大器

0.引言

近年来，随着电子技术的飞速发展和研究的不断深入，人们认识自然的方向从宏观世界不断向微观世界延伸，人们对电流和电压精度的要求也不断提高。为了满足需要，微弱电流的高精度检测在不同的领域得到了非常广泛的应用和推广。微弱信号检测也随之不断发展成为一门学科，在生物医学工程、物理、化学、材料测试、天文、光电器件以及多种工程应用领域都有广泛的应用。

1.微电流信号的检测

微电流信号的测量通常包括五个步骤，将被测信号依次进行预滤波处理、一级放大、二级滤波、二级放大等操作，得到满意的信号，再进行测量等后续处理。

1.1预滤波处理

通常，人们所需要的有用信号是非常微弱的，几乎湮灭于强大的干扰噪声信号中，测量信号的困难来自于各种干扰。因此，要检测到该有用的信号，我们需要最大程度地抑制噪声信号。

预滤波处理的作用就是消除夹杂在模拟信号中的高频波成分来提高测量微弱信号的精确程度。常见的滤波电路有π型RC滤波，倒L型RC滤波，π型LC滤波，倒L型LC滤波。

1.2微弱信号的放大

显然，对于微弱信号的放大，只用单个放大器难以达到好的效果。通常，我们处理微弱信号所采取的方法是先用运算放大器将其进行I-V转换，进行第一级放大，然后再进行第二级放大。

1.2.1一级放大

一级放大就是运算放大器将其进行I-V转换。由于在实际中，运算放大器并不理想，其输入阻抗并不是无穷大, 偏置电流IB也有分流作用。而被测量的对象是微弱电流信号, 在进行放大时易产生电压和电流失调、零点漂移等现象，从而影响测量精度。此时普通运算放大器已不能满足要求。

仪用放大器是一种经过优化处理、专门设计的精密差分放大器,它具有很多独特的优势——高共模抑制比、较小的线性误差、高输入阻抗、低噪声、低失调电压和低失调电压漂移，非常适合用于微电流信号的放大。因此，实验中，我们选择的运放是仪用放大器INA114。

1.2.2二级放大

二级放大采用LMP8100可编程放大器进行小电流放大。LMP8100可编程放大器是美国国家半导体最近推出的，它具备新增的数字式可编程能力，可实现四个可编程功能：

图1 LMP8100的简化原理图

（1）非反相-增益可在从增益1至16间逐级单位选择。

（2）内部频率补偿可以编程到四个数值中的其中一个。

（3）放大器的输入可以从输入信号脱离并连接到接地，失调电压可被量度。

（4）放大器可以编程到节电模式以将功耗尽量减少。

LMP8100可编程放大器可以通过在编程时设置G0、G1、G2、G3、PD的0、1值来控制开关S1至S16的闭合，得到需要的增益，一个LMP8100的增益可在0至16之间选择。

图2 两个LMP8100串联扩大增益范围

使用一个LMP8100可以将信号放大1至16倍，将两个LMP8100的增益串联在一起，那么可编程的增益范围就扩大到1至256。图2就是将两个LMP8100串联在一起的实现方法。因此，我们可以根据实际需要串联更多的LMP8100。

2.电路工艺

测量微弱电流，最重要的任务就是最大限度的抑制噪声，提高信号噪声比。因此，我们在实验中一定要努力做到以下几点：

2.1合适的原理设计

合适的原理、合适的元件值可以使电路效率大大提高，使噪声降到最低。

2.2根据电路对噪声的要求选用合适器件

尽量使所选择的器件工作在额定状态（如电压、电流、频率等最好在正常合适范围内），以利于减少噪声。

2.3对电路进行合理布局

微弱信号线应尽可能短并加屏蔽；低电平信号线应采用绞线或贴近地线放置；低电平电路和高电平电路避免使用公共的地线；接地线越短越好。

3.结束语

对微弱电流放大采取单片机控制的可编程机制，比常规小信号检测具有更多的优势和特点。使用LMP8100串联在一起的方法可以实现更大范围的增益，能满足不同的精度需求，非常实用。

【参考文献】

［１］曾庆勇.微弱信号检测.杭州:浙江大学出版社，1996,1～83.

［２］万福君.单片微机原理系统设计与应用.合肥:中国科学技术大学出版社,2001.

［３］蔡明生.电子设计[M].高教出版社,2004.

［４］赫建国,郑燕,薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用[M].清华大学出版社,2006.