一种高增益I-V转换电路跨阻增益原位校准方法及系统

本发明涉及微弱电信号检测与精密校准，尤其是一种高增益i-v转换电路跨阻增益原位校准方法及系统。

背景技术：

1、在pa级微弱光电流检测领域，跨阻放大器（tia）作为核心的电流-电压转换器，其跨阻增益的校准精度直接决定了微弱电流测量的准确性，是高精度光电探测系统等设备的关键技术环节。现有高增益i-v（电流-电压）转换器的增益校准方法主要包括电容充电法、低温电流比较器（ccc）校准源法、传输标准电流-电压转换器溯源法、超稳定低噪声电流放大器（ulca）校准法及外部电阻法等，但这些方法存在诸多技术缺陷：

2、依赖外部精密且庞大的辅助设备（如低温电流比较器ccc、多台高精度数字万用表、标准电阻标准系统等），设备成本高、体积大，无法适配基础实验室及工程化场景的现场校准需求；

3、校准流程繁琐，操作复杂度高，且多为离线校准，拆卸、引线等过程易引入寄生误差，导致校准精度下降；

4、商用精密电流源在pa量级输出时精度受限（如1pa输出时精度仅为1%±10fa），无法直接作为高增益tia校准的标准电流源。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中电流-电压转换器的增益校准方法辅助设备成本高、流程复杂和精度低的缺陷，本发明提出了一种高增益电流-电压转换器跨阻增益原位校准方法，无需外部庞大精密辅助设备，实现反馈网络的原位闭环阻抗标定，消除拆卸、引线及运放有源参数引入的寄生误差，提升校准精度。

2、本发明提出的一种高增益电流-电压转换器跨阻增益原位校准方法，包括以下步骤：

3、s1、搭建测试电路，包括：调试电压源、校准电压源、电流表、标准参考电阻和待测试的电流-电压转换器；调试电压源和电流-电压转换器串联形成第一支路，校准电压源和标准参考电阻串联形成第二支路；第一支路和第二支路形成电流表的两条并联支路；电流表示数为第一支路和第二支路的电流差值；

4、s2、固定校准电压源的输出电压，并记作校准电压vs；

5、s3、将调试电压源的输出电压调试为e1,读取电流表示数δi1；将调试电压源的输出电压调试为e2,读取电流表示数δi2；

6、s4、计算理论平衡电压，令调试电压源的输出电压调试为，并读取电流表示数δi；

7、

8、s5、计算电流-电压转换器的反馈电阻rx：

9、

10、

11、其中，rs为标准参考电阻的阻值；is为第二支路电流。

12、优选的，e1与校准电压vs的比值大于10或者小于0.1，e2与校准电压vs的比值大于10或者小于0.1。

13、优选的，e1与校准电压vs的比值大于10，e2与校准电压vs的比值小于0.1。

14、优选的，电流-电压转换器整体放置于电磁屏蔽装置中。

15、优选的，反馈电阻rx的不确定度u(rx)的计算公式为：

16、

17、其中，c1、c2、c3和c4分别表示调试电压源ux、校准电压源us、标准参考电阻和电流表的灵敏度系数；u(ux)、u(us)、u(rs)和u(δi/i)分别表示调试电压源ux、校准电压源us、标准参考电阻和电流表的不确定度。

18、优选的：

19、

20、

21、

22、

23、其中，表示求导。

24、本发明提出的一种高增益i-v转换电路跨阻增益原位校准系统，用于实现所述的高增益电流-电压转换器跨阻增益原位校准方法；包括测试平台，测试平台包括：调试电压源ux、校准电压源us、电流表、标准参考电阻和用于接入待测试电流-电压转换器（ts cvc）的测试工位；电流-电压转换器接入测试工位时，调试电压源ux和电流-电压转换器串联形成第一支路，校准电压源us和标准参考电阻串联形成第二支路；第一支路和第二支路形成电流表的两条并联支路。

25、优选的，还包括计算机，计算机用于控制调试电压源ux的输出电压，并用于读取电流表示数；测试过程中，计算机执行如权利要求1-6任一项所述的高增益电流-电压转换器跨阻增益原位校准方法，计算得到电流-电压转换器的反馈电阻rx。

26、本发明提出的一种电流源校准方法，首先采用所述的高增益电流-电压转换器跨阻增益原位校准方法校准电流-电压转换器的反馈电阻，然后将待校准电流源接入电流-电压转换器的电流输入端，在电流-电压转换器的电压输出端接入第一电压表；

27、令电流源输出电流为0时，第一电压表测得的电压值记作失调电压v1(i=0)；令电流源有输出时，第一电压表测得的电压值记作输出电压v1(i)；

28、当输出电压为v1(i)是，电流源输出电流的校准值i为：

29、。

30、本发明提出的一种光电探测器前置放大电路跨阻增益校准方法，包括以下步骤：

31、st1、将电流源与待测光电探测器连接，通过电流源向待测光电探测器的前置放大电路注入电流；在待测光电探测器的前置放大电路的输出端接入第二电压表；令电流源无输出时，第二电压表测得的电压值记作失调电压v2(i=0)；

32、st2、启动电流源输出电流，第二电压表测得的电压值记作输出电压v2(i)；采用如权利要求7所述的电流源校准方法获取电流源输出电流的校准值i；

33、st3、计算待测光电探测器的前置放大电路在电流源的校准值为i时的实际跨阻增益g(i)：

34、。

35、本发明的优点在于：

36、（1）本发明提出的一种高增益i-v转换电路跨阻增益原位校准方法，用于计算电流-电压转换器的反馈电阻的阻值。本发明通过两次施加调试电压源ux的输出电压，拟合得到电流表示数调试电压源ux的输出电压的线性关系，从而精准求解电桥平衡所需电压，替代手动调节，提升了校准效率和精度。施加后，电桥接近平衡，结合修正后的被测阻抗计算公式，弥补了传统惠斯通电桥的测量误差。

37、（2）本发明的测试电路为改进型双电源惠斯通电桥，通过线性拟合法实现电桥平衡。改进的双电源惠斯通电桥有效抑制了gω级高阻测量中的泄漏电流和电磁干扰，解决了传统惠斯通电桥仅适用于中低阻值测量的技术瓶颈，实现高增益反馈网络的精准测量。

38、（3）本发明提出的一种高增益i-v转换电路跨阻增益原位校准系统，通过测试工位接入电流电压转换器，实现反馈电阻的原位闭环阻抗标定，无需拆卸电路，消除了引线、装联及运放有源参数引入的寄生误差，相比传统离线校准方法，校准精度显著提升；

39、（4）本发明适用于pa级微电流检测的高增益跨阻放大器（tia）的跨阻增益原位校准，可应用于空间辐射基准、光电探测、精密计量等领域的高阻抗电流-电压转换器增益标定。采用本发明可设计适配原位校准的硬件系统，实现校准流程的标准化、简易化，提升工程化应用的便捷性和实用性。

40、（5）本发明通过电流-电压转换器的反馈电阻的不确定度计算，构建了完整的误差传递与不确定度模型，可严格控制校准过程中的各类误差，使高增益i-v转换电路的校准不确定度满足pa级微电流检测的系统指标要求；

41、（6）本发明提出的电流源校准方法，采用校准后的电流-电压转换器进行电流源校准，解决了商用精密电流源在pa量级输出精度不足的问题，可在控制电流源成本的前提下，保证电流输出精度。修正后的电流源可作为高增益tia校准的标准源，无需额外定制高端精密电流源，降低了设备成本。测试过程中，硬件结构精简，操作便捷，工程化实用性强：校准系统无需外部庞大精密辅助设备，ts-cvc（电流-电压转换器）硬件结构紧凑，校准流程标准化，可适配基础实验室及工程化场景的现场校准需求，提升了技术的推广应用价值。

42、（7）本发明提出了一种光电探测器前置放大电路跨阻增益校准方法，采用校准后的电流源进行测试，成本低，操作简单，且测试结果可靠。