一种微电流产生方法和电路与流程

本发明涉及微电流，特别涉及一种微电流产生方法和电路。

背景技术：

1、微电流是指电流小于1微安的直流电流，它的工作范围从0.5na到1ua，输出电阻约2mω，相对精度±0.1％(即最小电流误差小于±0.5pa)，工作环境温度10～30℃，湿度小于80％rh。近年来，以测量微电流为基础的各类电化学传感器越来越多的应用于生物、化学及医学等领域。电化学工作站是目前测量微电流的主要工具，但是如何对此类工具进行溯源校准是个普遍存在的难题，目前尚无相关的计量标准，也缺少专用设备能够完成微电流测量工具的校准工作，造成了电化学传感器的准确性和一致性存在有很大的误差，为科学研究和临床监测带来了很大的不确定性。导致此情况的根本原因是，利用传统方法产生微电流作为标准电流源，当使用工具(如电化学工作站)对其进行测量时，测量工具本身易对电流源产生噪音干扰，以及测量工具与实用工具间存在共模电压，从而导致测量结果不准确。微电流发生电路的技术难点在于如何降低电路的噪音和辅助电路的漏电流。

2、微电流发生器的传统手段包括：(1)运用v/i转换电路直接生成电流输出方法，(2)使用高精度电源和标准电阻方法来产生微小电流的方法。其中，(1)运用v/i转换电路直接生成电流输出方法如图1所示，图1中，r1/r3＝r2/r4，当r1＝r2＝r3＝r4时，则io＝vi/rs。此电路多用于v/i转换，广泛应用于电流发生场合。但是，负载电阻对此电路有较大的影响，且非线性误差较大，往往需要加反馈跟踪电路，形成闭环调节来控制电流输出的精度。并且，由于rs要远远小于与r1、r2、r3和r4，所以要想得到一个微小电流必然要降低输入电压vi，从而在降压电路中会不可避免地带来运算误差，使得整体电流输出的精度进一步降低。还有，此电路需要有一个或两个三极管(或mos管)参与变换，这样也会带来漏电流的误差和更多的噪音干扰，而噪音干扰是微小电流发生器中最不能忍受的，对电流输出准确度影响最大因素。此电路中除有vi过度分压带来的噪音，r1、r2、r3、r4过大导致的噪音和三极管调整产生的噪音等三大部分噪音源，还有负载电阻变化带来的电流误差和运放及三极管调整率产生的误差。所以，此电路通常多应用于电流在毫安以上的比较大电流场合中，在微安级以下的电流发生应用中不适合使用。(2)使用高精度电源和标准电阻方法来产生微小电流的方法如图2所示，使用了一个高精度的电压源和一个标准电阻产生了一个标准电流，其基本原理是：将标准电压源的公共端与电化学工作站的公共端相连，标准电压源输出电压为vo＝v设定+vcom-vwe，输出电流io＝vo/rs，当vcom＝vwe时，io＝v设定/rs，在此vcom也可以称为共模电压，因为此方法比较简单，故在实际中多采用此种方法校对电化学工作站的准确性。不过根据上述原理可知，当共模电压vcom不等于vwe时，io的大小无法控制，想要得到一个准确的io必须要精确测量vcom与vwe的差值，并将此值迭代到v设定值中，这样才能得到一个想要设定的电流值，显然这种方法过于复杂，无法适用于任意的电化学工作站上，不具有普遍性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种微电流产生方法和电路。

2、第一方面，本发明实施例提供一种微电流产生方法，包括：

3、使用高阻抗电压跟随器将输入端子中工作电极电压转换为以参考电压为参考点的工作电压；

4、将输入电压接在加法器反相端，将所述工作电压接在所述加法器同相端，得到输出电压；

5、将所述输出电压和工作电压分别接在标准转换电阻的两端，得到输出微电流。

6、在一些具体的实施例中，所述高阻抗电压跟随器包括：

7、第一运算放大器、第二运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一补偿电阻和第二补偿电阻；所述输入端子中工作电极电压接在高阻抗电压跟随器第一端，高阻抗电压跟随器第一端分别与第一电阻第一端和第五电阻第一端连接，第一电阻第二端分别与第一运算放大器反相端和第二电阻第一端连接，第二电阻第二端分别与第一运算放大器输出端和第三电阻第一端连接，第一运算放大器同相端与第一补偿电阻第一端连接，第一补偿电阻第二端与第二补偿电阻第一端连接，第二补偿电阻第二端与第二运算放大器同相端连接，第三电阻第二端分别与第四电阻第一端和第二运算放大器反相端连接，第五电阻第二端分别与第四电阻第二端、第二运算放大器输出端和第四运算放大器同相端连接，高阻抗电压跟随器第二端分别与所述加法器同相端、第四运算放大器输出端和反相端连接。

8、在一些具体的实施例中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第五电阻的阻值相同，所述第四电阻的阻值是第一电阻的2倍。

9、在一些具体的实施例中，所述加法器包括：

10、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第三运算放大器；

11、所述高阻抗电压跟随器第二端与所述加法器同相端连接，所述加法器同相端与第八电阻第一端连接，第八电阻第二端分别与第九电阻第一端和第三运算放大器同相端连接，第三运算放大器反相端分别与第七电阻第一端和第六电阻第二端连接，第六电阻第一端分别与第三运算放大器输出端和所述加法器输出端连接，第七电阻第二端与所述加法器反相端连接。

12、在一些具体的实施例中，所述第七电阻和第八电阻阻值相等，所述第六电阻和第九电阻阻值相等，所述第七电阻的阻值是所述第六电阻的2倍。

13、在一些具体的实施例中，所述输入电压为由数模转换器件输出的特定电压值。

14、在一些具体的实施例中，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器均为双运算放大器。

15、第二方面，本发明实施例提供一种微电流产生电路，包括：

16、加法器、高阻抗电压跟随器和标准转换电阻；

17、输入端子中工作电极电压分别接在高阻抗电压跟随器第一端和标准转换电阻第一端，高阻抗电压跟随器第二端与加法器同相端连接，输入电压接在加法器反相端，加法器输出端与标准转换电阻第二端连接；

18、所述高阻抗电压跟随器包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第四运算放大器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第一补偿电阻和第二补偿电阻；所述输入端子中工作电极电压接在高阻抗电压跟随器第一端，高阻抗电压跟随器第一端分别与第一电阻第一端和第五电阻第一端连接，第一电阻第二端分别与第一运算放大器反相端和第二电阻第一端连接，第二电阻第二端分别与第一运算放大器输出端和第三电阻第一端连接，第一运算放大器同相端与第一补偿电阻第一端连接，第一补偿电阻第二端与第二补偿电阻第一端连接，第二补偿电阻第二端与第二运算放大器同相端连接，第三电阻第二端分别与第四电阻第一端和第二运算放大器反相端连接，第五电阻第二端分别与第四电阻第二端、第二运算放大器输出端和第四运算放大器同相端连接，高阻抗电压跟随器第二端分别与所述加法器同相端、第四运算放大器输出端和反相端连接；

19、所述加法器包括：第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第三运算放大器；所述高阻抗电压跟随器第二端与所述加法器同相端连接，所述加法器同相端与第八电阻第一端连接，第八电阻第二端分别与第九电阻第一端和第三运算放大器同相端连接，第三运算放大器反相端分别与第七电阻第一端和第六电阻第二端连接，第六电阻第一端分别与第三运算放大器输出端和所述加法器输出端连接，第七电阻第二端与所述加法器反相端连接。

20、在一些具体的实施例中，所述第一电阻、第二电阻、第三电阻和第五电阻的阻值相同，所述第四电阻的阻值是第一电阻的2倍；所述第七电阻和第八电阻阻值相等，所述第六电阻和第九电阻阻值相等，所述第七电阻的阻值是所述第六电阻的2倍。

21、在一些具体的实施例中，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器和第四运算放大器均为双运算放大器。

22、本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

23、通过增加高阻抗电压跟随器，使微电流发生电路与使用工具(如电化学工作站)的工作电极(we)间电阻非常大，漏电流可以做到非常小，微电流发生精度可以做到非常高，并且，由于参考电位vcom端只是起同步参考电位作用，而与工作电极(we)电压和vcom之间的关系无关，所以，无论参考电位vcom与工作电极(we)电压相等与否均能产生一个方便计算的标准电流值。其中的运算放大器均为双运算放大器，可以在一定程度上保证运放的一致性比较好，可以将输入失调电压和同相端输入偏置电流相互抵消。其漏电流取决于第一至第五电阻的精度和运算放大器的一致性，而噪音完全取决于运算放大器的0.1hz到10hz的电压输入噪音，所以此方案具有运算放大器的可选择种类更多，具有更好的实用性的特点，尤其是现今在高端芯片缺货与价格奇高的情况下更有其独特的应用空间。另外，在制作pcb时电路的网孔小，很容易的可以制作等势保护环，防止由于电压差值过大产生漏电流，导致电路中噪音过大的影响。

24、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

25、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。