[发明专利]基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法

说明书

本发明公开了一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法，电流源包括两个电流方向相反可交替工作的恒流源，其由测量控制单元控制切换，电流源的电流绝对值大于待测电流的绝对值；积分器对输入电流及恒流源输入的电流之和进行积分；模数转换器采集固定时间点的积分电压信号，并将积分电压信号发送给测量控制单元；测量控制单元对固定时间点的积分电压信号进行分析，判断该点的积分电压是否超量程或过零，根据过零情况进行两个恒流源的切换，并对两个恒流源导通状态进行计数，用于计算输入电流。本发明微弱电流测量精度高；并可根据工频干扰设置测量周期，减小或消除工频干扰噪声；且可测量双极性微弱电流，消除零点饱和带来误差的缺点。

技术领域

本发明涉及微弱电流测量技术领域，具体为基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，以及市场对于低功耗高性能的需求，电子设备的电流水平有往小发展的趋势，从毫安到微安再到皮安，比如手机电池待机电流(10^-3A)、光电二极管暗电流(10^-12A)、OLED的像素电流(10^-12A)等，在静电研究、材料测试、光电器件、辐射计量等应用与测试中也要测量微弱电流，而如何精确测量出微弱电流，则成了一道避不开的难题。

微弱电流测量方式主要有两种方式：跨阻法和积分法。

跨阻法原理是，待测电流接运算放大器的反相输入端，一反馈电阻R跨接反相输入端和输出端，同相输入端接地，则反相输入端处于虚地，输入端所有电流流经反馈电阻，从欧姆定律I＝V/R可知，只要测量跨阻放大器输出电压值，通过已知反馈电阻阻值就可以计算出待测电流。

积分法原理是，待测电流接运算放大器的反相输入端，一积分电容C跨接反相输入端和输出端，同相输入端接地，反相输入端处于虚地，输入端所有电流流入积分电容，从电荷电流关系Q＝I·t＝ΔV·C可知，只要测量出积分时间内积分器输出电压变化值，通过已知积分电容容值以及积分时间就可以计算出待测电流。

目前，国内外已有多家公司开发了微弱电流测量电路及方法，一般采用电容积分法，通过切换不同容值的电容来更改测量电流量程。跨阻法所需器件及工艺要比积分法严格得多，因此采用跨阻法测量电流的公司不多，跨阻法的量程切换是通过改变跨接电阻阻值实现的。

发明专利CN112213554A的微弱电流测量电路如下图1所示。该发明专利中的测量电路是基于积分法。通过电流积分，积分电压将会慢慢增加，当积分电压到达下阈触发电压时，高速比较器2便会输出高电平，复位逻辑电路接收到脉冲后输出一固定脉宽的积分复位信号，该积分复位电压信号通过低漏电流复位器输出固定的电荷用于积分器的复位，积分器的输出电压因此降低。高速比较器1用于电路起始阶段的复位功能，当积分器输出电压超过上阈触发电压时，复位逻辑电路输出积分复位信号，从而使积分器输出电压低于下阈触发电压。单稳态触发电路用于将积分复位脉冲信号转换为固定宽度的脉冲信号，该脉冲信号频率正比于微弱电流信号。

上述方案不足之处在于：

1)测量周期来源于积分复位信号，因而其测量周期不固定，不能整倍于工频信号，容易受工频干扰影响；即便固定了测量周期，将会损失部分电流积分信息。

2)在量程低端时，待测电流较小，积分电压变化较慢，导致一定测量周期内输出脉冲信号少，从而测量误差大，测量周期长。

3)其积分器必须保持不漏电或固定方向的漏电流，否则反向漏电流将会导致积分器低端饱和，影响测量电流的精度，并且在测量量程的低端输入电流较小时测量电路将无脉冲信号输出。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于电荷平衡的高精度微弱电流测量电路及方法，利用电荷平衡理论实现微弱电流高精度测量，解决现有微弱电流测量需要多量程切换，只能测量单极性电流、测量误差大的问题。技术方案如下：