一种微电流检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明属于本发明属于电子电路技术领域，涉及一种微电流检测电路。本发明的适用于大电容的高速弱电流探测器电路分为前级跨阻放大器、电压电流转换器和后级跨阻放大器三级，前级跨阻放大器为低输入阻抗、低增益的跨阻放大器，在足够宽的带宽下实现电路的一部分增益，隔离输入节点的大电容，抑制第一级的噪声；中间级为电压电流转换级，将第一级跨阻放大器输出的电压信号转换成电流信号，便于后级跨阻放大器处理；后级跨阻放大器为高增益跨阻放大器，为电路提供一定的增益和增加电路驱动能力。从而整体架构可以实现带宽和高增益。
【专利说明】
-种微电流检测电路
技术领域
[0001] 本发明属于电子电路技术领域，设及一种微电流检测电路。
【背景技术】
[0002] 在高速传感集成电路中，传感器接收其他非电信号后产生的往往是微弱的电流信 号，同时，运些传感器前端寄生电容较大。尤其在高速光电集成电路中，光电二极管接收到 光信号后产生微弱的电流信号。为了便于后级电路处理信息，需要将电流信号转化为适当 幅值的电压信号，因此要求前级弱电流检测电路具有较大的增益;而考虑到传感器前端寄 生电容，特别是电容较大的情况下，使得整体电路不能同时获得高的增益和大的带宽，尤其 在要求整体电路具有较好的噪声性能情况下，增益和带宽的折中更加明显。
[0003] 调节式共栅共源(RGC)电路结构能较好的隔离前端传感器的寄生电容，但是噪声 性能差;其他电流检测电路一般只适合寄生电容较小的情况。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的，就是针对上述现有微电流检测电路无法同时实现高增益与高 带宽的限制，尤其是在光电管寄生电容大情况下带宽不够宽的问题。提出了一种适用于大 电容的高速弱电流探测器电路。
[0005] 本发明的技术方案是:一种适用于大电容的高速弱电流探测器电路，包括前级跨 阻放大器、电压电流转换器，后级跨阻放大器和偏置电路;所述前级跨阻放大器由第一电阻 Rl、第二电阻R2、第S电阻RFl、第一电容CFl、第一醒OS管丽1和第二醒OS管丽2构成；第一 醒OS管丽1的栅极为检测电流输入端，第一醒OS管MNl的漏极通过第一电阻Rl后接电源，第 一醒OS管MNl的源极接地;第二醒OS管MN2的栅极接第一醒OS管MNl的漏极，第二醒OS管MN2 的漏极接电源，第二NMOS管MN2的源极通过第二电阻R2后接地;第一 NMOS管MNl的栅极通过 第S电阻RFl后接第二醒OS管M2源极与第二电阻R2的连接点；第一电容CFl与第S电阻RFl 并联。所述电压电流转换器由第四电阻R3、第二电容CU第SNMOS管丽3、第四NMOS管MN4、第 五醒OS管丽5、第一 PMOS管MPl、第二PMOS管MP2和运算放大器构成;运算放大器的同相端为 电压电流转换器的输入端，运算放大器的反相端依次通过第四电阻R3和第二电容Cl接地， 运算放大器的输出端接第SNMOS管MN3的栅极;第S醒OS管MN3的漏极接第一 PMOS管MPl的 漏极，第S醒OS管MN3的源极接第四匪OS管MN4的漏极；第四匪OS管MN4的源极接地，第四 醒OS管丽4的栅极接第五醒OS管丽5的栅极；第五醒OS管丽5的漏极接第二PMOS管MP2的漏 极，第五醒OS管丽5的源极接地;第一 PMOS管MPl的源极接电源，第一 PMOS管MPl的栅极接第 二PMOS管MP2的栅极;第二PMOS管MP2的源极接电源，第二PMOS管MP2的漏极与第五醒OS管 MN5的漏极相连，为电压电流转换器的输出I0UT1。所述后级跨阻放大器为一标准跨阻放大 器。
[0006] 本发明的有益效果为，本发明的适用于大电容的高速弱电流探测器电路分为前级 跨阻放大器、电压电流转换器和后级跨阻放大器=级，前级跨阻放大器为低输入阻抗、低增 益的跨阻放大器，在足够宽的带宽下实现电路的一部分增益，隔离输入节点的大电容，抑制 第一级的噪声；中间级为电压电流转换级，将第一级跨阻放大器输出的电压信号转换成电 流信号，便于后级跨阻放大器处理;后级跨阻放大器为高增益跨阻放大器，为电路提供一定 的增益和增加电路驱动能力。从而整体架构可W实现带宽和高增益。
【附图说明】
[0007] 图1为本发明所提出的微电流检测电路框架；
[0008] 图2为本发明所提前级跨阻放大器的一种实例电路；
[0009] 图3为本发明所提电压电流转换器电路结构示意图；
[0010] 图4为本发明所提出的后级跨阻放大器电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：
[0012] 本发明中，考虑到信号输入节点寄生电容大，会严重影响跨阻放大器的增益带宽 积，无法在满足传输速度的前提下，一步将弱电流信号放大到输出合适的电压信号。因此， 如图1所示，本发明将跨阻分成前级跨阻和后级跨阻放大器两级实现总的跨阻增益，前后两 级跨阻之间用一个电压电流转换电路连接。前级跨阻放大器为低输入阻抗、低增益的跨阻 放大器，在足够宽的带宽下实现电路的一部分增益，隔离输入节点的大电容，抑制第一级的 噪声；由于前级跨阻输出的信号为电压信号，为了后级跨阻能继续正常放大，中间加入电压 电流转换电路将前级输出的电压信号转换成电流信号，同时，电压电流转换电路能提供一 定的电流增益;前级跨阻输出的电压信号仍然较小，后级用电压放大器实现难度大，因此后 级选择跨阻放大器。运样就形成了图1所示电路结构，也是本发明保护的电路结构。多级放 大器噪声系数计算公式
[0013]
[0014] 其中化X为第X级放大器的噪声系数，(ix为第X级放大器的增益。由上面的公式可W 得出，多级放大器的总噪声系数主要取决于第一级的噪声系数，越是后面的放大器对总的 噪声系数影响越小。对第一级来说，噪声系数应该尽量小，增益尽量大。本发明中，由于输入 节点寄生电容大，故要想得到足够的带宽，增益不能太大，只能尽量降低前级跨阻放大器的 噪声系数。共源结构电路具有噪声小的特点，因此本发明选择共源结构做为第一级跨阻放 大器。由于本发明所保护的是一种架构和方法，而不局限于特定的跨阻放大器具体电路。为 了便于阐述和理解本发明的内容，此处仅W图2所示前级跨阻放大器为一实例，阐述本发明 的益处。当然本发明也可W采用其他具体跨阻放大器结构进行实现。图2所示前级跨阻放大 器的跨阻增益为化1，带宽为：
[0015]
[0016] Cp为输入端寄生电容，gmnl为NMOS管Ml的跨阻。
[0017] 等效到输入端的噪声为
[001 引
[0019] 由带宽公式和输入噪声公式得出，通过增加gmnl和扣可W同时增加带宽和减低噪 声，再结合跨阻增益化1，可W使得前级跨阻放大器在满足带宽需求，同时拥有足够低的噪声 系数。
[0020] 如图3所示，电压电流转换电路中，醒OS管MN4和MN5为电路提供直流偏置，PMOS管 MPl和MP2为电流镜，将转换后的电流输出到后级，并提供一定电流增益。电压电流转换电路 跨导为 gm=VlNl/R3。
[0021] 综合前级跨阻放大器和电压电流转换器来看，实现的是电流放大的功能，电流增 益为gm=mRFi/化，m为PMOS管MP2的宽长比与MP1的宽长比之比。
[0022] 后级跨阻放大器为传统跨阻放大器，但是由于传感器寄生电容被隔离，因此后级 跨阻放大器输入节点寄生电容只是前级电路输出管的寄生电容，因此带宽为
[0023]
[0024] Cdb.MP2为PMOS管MP2漏极和衬底之间的电容，Cdb.M化为醒OS管丽5漏极和衬底之间的 电容，Cin2为后级跨阻放大器输入电容。因为Cdb.MP2、Cdb.M化和Cin2很小，因此后级跨阻放大器 可W在满足带宽的情况下，将Rf2设置得很大。
[0025] 通过上述分析可知，本发明所提电流检测电路总的跨阻增益为
[0026]
[0027]而电流检测电路输入节点的大寄生电容被前级低增益跨阻放大器隔离，后级跨阻 放大器输入电容将变得很小，因此整体电路的带宽和增益比传统跨阻放大器而言，都可W 设置的更高，满足高增益、宽带的需求。
【主权项】
1. 一种微电流检测电路，包括前级跨阻放大器、电压电流转换器、后级跨阻放大器和偏 置电路;所述前级跨阻放大器由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻RF1、第一电容CF1、第一 匪0S管丽1和第二匪0S管MN2构成；第一匪0S管丽1的栅极为检测电流输入端，第一匪0S管 丽1的漏极通过第一电阻R1后接电源，第一 NMOS管丽1的源极接地;第二NMOS管丽2的栅极接 第一NMOS管丽1的漏极，第二NMOS管丽2的漏极接电源，第二NMOS管丽2的源极通过第二电阻 R2后接地;第一 NMOS管MN1的栅极通过第三电阻RF1后接第二NMOS管M2源极与第二电阻R2的 连接点；第一电容CF1与第三电阻RF1并联。所述电压电流转换器由第四电阻R3、第二电容 C1、第三NMOS管MN3、第四NMOS管MN4、第五NMOS管MN5、第一 PMOS管MP1、第二PMOS管MP2和运 算放大器构成;运算放大器的同相端为电压电流转换器的输入端，运算放大器的反相端依 次通过第四电阻R3和第二电容C1接地，运算放大器的输出端接第三NMOS管MN3的栅极;第三 匪0S管丽3的漏极接第一 PMOS管MP1的漏极，第三匪0S管丽3的源极接第四匪0S管丽4的漏 极;第四匪0S管丽4的源极接地，第四NMOS管MN4的栅极接第五匪0S管丽5的栅极;第五匪0S 管丽5的漏极接第二PMOS管MP2的漏极，第五匪0S管丽5的源极接地;第一 PMOS管MP1的源极 接电源，第一 PMOS管MP1的栅极接第二PMOS管MP2的栅极;第二PMOS管MP2的源极接电源，第 二PMOS管MP2的漏极与第五NMOS管MN5的漏极相连，为电压电流转换器的输出I0UT1。
【文档编号】G01R19/00GK106018926SQ201610640211
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月5日
【发明人】周泽坤, 龚宏国, 刘凯, 石跃, 王卓, 张波
【申请人】电子科技大学