作者：王威^1,2, 崔敏^1,2, 李孟委^1,3, 张鹏^1,3, 梁洲鑫^1,3

作者单位：1. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051;
2. 中北大学电气与控制工程学院, 山西 太原 030051;
3. 中北大学仪器与电子学院, 山西 太原 030051

关键词：纳米光栅陀螺;前置放大电路;微弱信号检测;I-V电路;稳定性

摘要：

针对纳米光栅微陀螺输出微安甚至皮安级的微弱电流信号，设计微弱电流信号的前置放大电路，研究微弱电流信号检测与电路稳定性的理论，提出一种低成本、低噪声、高信噪比的微弱电流检测方法，即高阻型的I-V转化法，并给出高阻型I-V转化电路的响应带宽计算公式以及电路稳定性的分析方法。通过搭建测试台，对电路性能及功能进行实际测试。实验结果表明：该电路可对皮安级的微弱电流信号进行检测放大，电路灵敏度为10 mV/pA，最大检测误差为1.5%（当输入微弱电流值>10 pA时），满足纳米光栅微陀螺的微弱电流检测的需求。

Design and analysis of preamplifier for nano-grating micro-gyroscope
WANG Wei^1,2, CUI Min^1,2, LI Mengwei^1,3, ZHANG Peng^1,3, LIANG Zhouxin^1,3
1. Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, China;
2. School of Electrical and Control Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China;
3. School of Instrument and Electronics, North University of China, Taiyuan 030051, China
Abstract: In this paper, a preamplifier circuit of weak current signal was designed for the output of micro-ampere or even pico-ammeter level of Nano-grating micro-gyroscope. The theory of weak current signal detection and circuit stability was studied. A weak current detection method of high resistance I-V transformation type with low cost, low noise and high signal-to-noise ratio was proposed. The calculation formula of response bandwidth of high resistance I-V converter circuit and the method of circuit stability analysis were given. The circuit performance and function were tested by setting up a test bench. The experimental result shows that the circuit can detect and amplify the weak current signal of pA level. The circuit sensitivity is 10 mV/pA, and the maximum detection error is 1.5% (when the input weak current value is greater than 10 pA). This performance shows that the circuit can meet the need of weak current detection for nano-grating micro-gyroscope.
Keywords: nano-grating gyroscope;preamplifier;weak signal detection;I-V circuit;stability
2019, 45(4):123-128  收稿日期: 2018-08-21;收到修改稿日期: 2018-09-28
基金项目: 国家重点研发计划重大科学仪器设备开发专项（2017YFF0105202）；中北大学自然科学基金（2017024）
作者简介: 王威(1992-),男,山西长治市人,硕士研究生,专业方向为微弱信号检测与陀螺接口电路
参考文献
[1] 张全文, 于增辉, 张志刚, 等. 油基泥浆电成像测井仪器微弱电流检测电路设计[J]. 石油管材与仪器, 2017, 1(3):29-32
[2] 姜利英, 岳保磊, 梁茂, 等. 一种改进型微弱电流低噪声放大应用电路[J]. 郑州轻工业学院学报(自然科学版), 2015, 30(4):118-122
[3] 谭同, 何慧敏, 李宝霞, 等. 光电模块中微弱电流测量电路的设计与测试[J]. 电子设计工程, 2017, 25(9):6-13
[4] 王宾, 李孟委, 吴倩楠, 等. 纳米光栅微陀螺噪声分辨率分析[J]. 中北大学学报, 2017, 38(2):225-230
[5] 王宾, 李孟委, 吴倩楠, 等. 双层纳米光栅微位移检测仿真[J]. 仪表技术与传感器, 2018, 6(4):6-9
[6] 孙旭鸿, 高守玮. 基于ARM的微弱电流检测系统[J]. 工业控制计算机, 2016, 29(12):131-132
[7] 李忠晶, 鞠登峰, 周兴, 等. 基于巨磁电阻传感器的微弱电流测量方法研究[J]. 电测与仪表, 2016, 53(15):28-32
[8] 李烜, 黄韬. 基于静电探测理论的对空探测技术研究[J]. 光电技术应用, 2017, 32(3):54-58
[9] 胡红钱, 高奇峰, 沈姗姗. 新型微弱电流检测前置放大电路设计[J]. 核电子学与核探测技术, 2016, 36(8):847-851
[10] 闫书雄, 辜键洲, 石梦桐, 等. 用于飞行时间质谱仪的微电流检测模块[J]. 电子测量技术, 2016, 39(9):64-68