隨著我國水質生態環境監測的推進和發展，有毒有害的水質重金屬向著微量、痕量檢測方向發展，更低的檢出下限、更靈敏的分析能力成為當前儀器分析重要的需求。特別是在常見的重金屬檢測方法中，傳統的比色法在線監測設備檢出能力不足，且易受測量干擾。因此基于BDD 電極的電化學陽極溶出伏安法在痕量重金屬檢測中有獨特的優勢，其中BDD 電極是一種新型固態電極，具有無毒環保、電化學勢窗寬、背景電流低、表面不易吸附、可重復使用以及物理化學性質穩定性好等諸多優點。但是，在電化學痕量重金屬檢測中，溶出過程中BDD 電極上產生的電流極小且跨度極大，最小達到nA 級（10^-9 A）甚至是pA 級（10^-12 A），而在待測物濃度大的時候最大能達到mA 級（10^-3 A）。所以對微弱電流采集電路的測量精度、穩定性和抗噪能力都提出了更高的要求，針對這個問題，本文對前置I-V 轉換電路和后級信號調理電路進行了分析，設計了一種低噪聲、高精度、增益可編程的微弱電流采集電路，并將其應用于BDD 電極痕量水環境重金屬檢測鎳離子的實驗測試中。

1 總體框圖

微弱電流采集電路的系統結構如圖1 所示，由跨阻I/V 轉換電路、低通濾波器、可變增益放大器、A/D 轉換電路、數字隔離器、微處理器以及1 個獨立的低噪聲電源電路組成。在三電極體系里進行氧化還原反應時產生的微弱電流經過跨阻I/V 轉換電路得到被轉換并放大了的電壓信號，然后通過后級信號調理電路進行濾波和次級電壓放大，得到更容易被微處理器或示波器采集的電壓信號。

2 電路設計

2.1 I-V轉換電路設計

由弗里斯公式可知，級聯放大器中各級的噪聲系數對總噪聲系數的影響是不同的，越是前級影響越大，第一級的影響最大。所以在設計用于微弱信號檢測的低噪聲系統時，前置放大器的器件選擇和電路設計是至關重要的^[3]。

2.1.1 電路結構的選擇

I/V 轉換電路的實現方式有圖2 所示的兩種方法。一種是由運算放大器和反饋電阻組成的基于負反饋的I/V轉換電路^[5]，如圖3 中的（a）所示。另一種是先使用電阻將電流轉換為電壓再進行放大^[5]，如圖3 中的（b）所示。

用于負反饋電流輸入放大器的OP 放大器的條件是輸入偏置電流和輸入換算噪聲電流要小于檢出電流。所以，一般來說使用FET 輸入OP 放大器是有利的^[5]。本文選取了4 GHz 的超低偏置電流FET 輸入運算放大器LTC6269-10，其輸入偏置電流在室溫下低至±3 fA（典型值），輸入換算噪聲電流為7 fA/ √ Hz (100 kHz), 而且它內部集成了兩個相同的運算放大器，為電路的設計提供了方便。

將選擇好的運算放大器LTC6269-10 運用到圖2 所示的兩個電路，然后在LTSpice 上分析它們的輸出噪聲，分析結果如圖3 所示。

從圖3 中可以看出，使用第一種方法能夠實現低噪聲、高靈敏度的電流輸入前置放大器，所以，本文選擇第一種電路結構進行電路設計。

2.1.2 反饋電阻的選擇

電阻兩端呈現的開路熱噪聲電壓有效值（即均方根值）E_t^[3]：

式中，k 為玻耳茲曼（Boltzmann）常數，k = 1.38*10^-23 J/K；T 為電阻的絕對溫度，K；R 為電阻的阻值；B為系統的等效噪聲帶寬，Hz。

式（1）說明，熱噪聲電壓正比于電阻值R 和帶寬B 的平方根，所以在微弱信號檢測系統中，應使反饋電阻R 的值盡量小^[3]。在電化學痕量重金屬檢測中，BDD傳感器流出的電流十分微弱，所以需要盡可能的提高增益，使輸出的電壓信號達到測量值。電流- 電壓變換增益與反饋電阻值成比例^[5]，即反饋電阻值越大，電流-電壓變換增益越大。同時負反饋電流輸入前置放大器的S/N 受反饋電阻的影響很大^[5]。因此，為了利于放大器的S/N（信噪比），應盡可能地使用大阻值、高精度、低溫漂的反饋電阻。

2.1.3 電路設計

運用超低偏置電流FET 輸入運算放大器LTC6269-10 和低失真的精密差分放大器AD8274 設計了如圖4 所示的差分式I/V 轉換電路。該電路能有效抑制電路噪聲，從而實現低噪聲電路的設計。AD8274 具有優良的增益漂移、增益精度、CMRR 以及低的噪聲電壓，而且無需在外部添加電阻元件即可配置增益。

2.2 可變增益放大電路設計

在檢測低濃度重金屬離子時，三電極體系中對電極和工作電極形成的回路中會產生μA級或者nA 級的微弱電流，在檢測更低濃度的重金屬離子時，微弱電流可能會達到pA 級甚至更小^[1]。所以跨阻I-V 轉換電路的輸出電壓范圍非常寬。小電壓信號需要高增益，但對于大輸出，高增益會導致放大器或ADC 飽和。因此，需要設計一種增益可控制的電路。

針對極大動態范圍的輸入電壓信號，集成式可變增益放大器的增益范圍可能不夠用，而運算放大器和可變的電阻網絡組成的可變增益放大電路就靈活很多，所以本文選用低噪聲、零漂移、軌到軌輸出的精密運算放大器、模擬多路復用器ADG1408 和一些精密電阻設計了一種低噪聲可變增益放大電路，如圖5 所示。

可變增益放大器的精度對于決定系統整體的精度非常重要，選擇ADG1408 的原因是其RON 為4 Ω，可以在很大程度上減小測量誤差，提高測量精度。而選擇這些阻值的精密電阻是為了產生1、2、4、8、10、100、1 000 和10 000 的可變增益，如果需要其他的增益，只需改變電阻即可。20 pF 的反饋電容確保了穩定性，并在切換增益時保持輸出電壓不變。電壓跟隨器能夠隔離前后級之間的影響，對信號進行緩沖，保持電路的穩定性。

2.3 ADC轉換電路設計

AD7175-2 是ADI 公司的一款低噪聲、高分辨力的24 位Σ-Δ 型模數轉換器(ADC)。相比較于在環境監測領域里被廣泛應用的AD7176，AD7175-2 內部集成了真正的軌到軌模擬和基準輸入緩沖器，提高了ADC 的靈活性。優良的性能使其成為能夠應用于化學分析及環境監測領域的又一款利器^[4]。運用AD7175-2 設計了如圖6 所示的ADC 轉換電路，其中ADR445 是一款極低噪聲、低溫漂的LDO 基準電壓源。

3 實驗測試

將設計好的微弱電流測量單應用于BDD 電極對環境地表水痕量水質重金屬檢測中，運用差分脈沖陽極溶出伏安法先對實驗室配制的含有（5、10、15、20、25、30、35、40）×10^-9 鎳的標準溶液進行連續測定，然后對含5 ppb 鎳的標準溶液進行8 次重復測量，記錄其溶出曲線，并進行分析。其中三電極體系的工作電極為BDD 電極，玻璃電極為參比電極，鉑電極為對電極。

實驗中軟件內置經優化的差分脈沖陽極溶出伏安法檢測鎳離子的參數設置如表1 所示。

不同鎳離子濃度的標準溶液的測量結果如圖7 所示，從圖可以看出，溶出峰明顯，溶出曲線基本平滑，噪聲干擾較小，而且BDD 電極上的電流最小達到了nA級，這能夠滿足痕量重金屬檢測的要求。然后根據鎳離子的濃度和溶出峰電流的關系進行線性擬合，擬合結果如圖8 所示。擬合結果表明，鎳離子濃度（5~40）×10^-9 線性關系良好，皮爾遜相關系數能達到0.996。

在同一測量環境下，對5 ppb 鎳離子濃度標準溶液進行多次重復測量，測量結果如圖9 和圖10 所示。從圖9 中可以看出，數據的重現性較好。經過計算，這8組數據的的標準差約為0.205，相對標準偏差RSD 約為1.714%。可見應用本文設計的微弱電流采集單元后，監測儀的精度、穩定性和抗噪能力都得到了很好的表征。

4 結束語

針對大動態范圍的微弱輸入信號，設計了一種高精度、低噪聲、增益可編程的微弱電流采集電路。將其應用于環境地表水在線監測儀中，對實驗室配置含鎳離子的標準溶液進行檢測，檢測結果為：鎳離子濃度在（5~40）×10^-9 范圍內線性關系良好，相關系數約為0.996；對含5×10^-9 鎳離子濃度的標準溶液進行8 次重復測試，相對標準偏差（RSD，n = 8）約為1.714%。實驗結果表明，該電路可滿足BDD 電極痕量環境地表水水質重金屬檢測時微弱電流的檢測需求。

參考文獻：

[1] 譚紅濤.ASV水質重金屬離子濃度在線自動監測儀[D].成都:成都理工大學,2014.

[2] 馬旭輝.電化學方法在痕量重金屬分析中的應用[J].化學世界,2019,60(2):118-124.

[3] 高晉占.微弱信號檢測[M].第2版.北京:清華大學出版社,2011,4.

[4] 畢曉東.ADI發布AD7175-2用于化學分析/環境監測領域[J].電子技術應用,2015,41(01):6.

[5] 遠坂俊昭.測量電子電路設計[M].北京:科學出版社,2006.

[6] 鄭培超,李海,朱思蒙,等.用于光電離子化檢測器的微弱電流檢測電路的設計[J].儀表技術與傳感器,2020(3):42-47.

[7] 王威,崔敏,等.pA級電流信號檢測電路設計[J].中北大學學報,2019,40(2):173-79.

[8] 丁衛撐,方方,等.直流微電流前置放大器的研究[J].核電子學與探測技術,2009,29(4):853-856.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年4月期）