一種高增益低噪音的微弱脈沖電流信號放大電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微弱電流信號檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種高增益低噪音的微弱脈沖電流 信號放大電路，可應(yīng)用在電化學(xué)、光電檢測、離子迀移譜、掃描隧道電鏡等微弱電流信號放 大的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 微弱電流信號是指納安（nA)、皮安（pA)和飛安（fA)級的電流信號，廣泛存在于電 化學(xué)伏安分析、光電檢測、靜電檢測、超高電阻檢測、質(zhì)譜分析、物質(zhì)成分分析等場合中。在 上述場合中，如何測量其中微弱電流信號是整個檢測過程的重要問題。一般說來，微弱電流 信號越小，需要設(shè)計的前置放大電路的增益就越高；然而，前置電路的增益越高時，電路中 的噪聲也會被放大，輸出噪音也越大；另一方面，當(dāng)電路的增益越高時，整個電路的帶寬也 會降低。增益、噪音、帶寬成為微弱電流信號放大電路性能的重要指標(biāo)。微弱電流信號的放 大可采用大電阻或小容值電容積分形式加以放大，采用大電阻放大會引入熱噪聲，同時由 于寄生電容、雜散電容的存在，電路的帶寬僅為幾十赫茲，這對于測量瞬時的電流脈動信號 是十分不利的；采用小電容積分雖然不引入熱噪聲但輸出容易飽和。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高增益低噪音的微弱脈沖電流信號放大電路，能夠 較好地解決微弱電流信號放大中增益、噪音和帶寬相互制約的問題。
[0004] 本發(fā)明的一種微弱脈沖電流信號放大電路，包括電容變換模塊、反饋補(bǔ)償模塊以 及零點(diǎn)補(bǔ)償模塊；所述電容變換模塊的輸入端接收待檢測裝置輸出的微弱脈沖電流信號， 輸出端連接到反饋補(bǔ)償模塊的輸入端，同時還連接到零點(diǎn)補(bǔ)償模塊的輸入端；所述的反饋 補(bǔ)償模塊的輸出連接到電容變換模塊的輸入端，形成反饋結(jié)構(gòu)；
[0005] 所述電容變換模塊采用電容積分的形式將所述微弱脈沖電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信 號；
[0006] 所述反饋補(bǔ)償模塊一方面將電容變換模塊輸出的電壓信號中頻率低于設(shè)定頻率f 的部分進(jìn)行信號放大后反饋到電容變換模塊的輸入端，用于將輸入到電容變換模塊的微弱 脈沖電流信號中的低頻成分補(bǔ)償?shù)?；另一方面，抑制電壓信號中頻率高于設(shè)定頻率f的部 分，用于避免電容變換模塊的輸出飽和；
[0007] 所述零點(diǎn)補(bǔ)償模塊利用零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆绞?，擴(kuò)寬從所述電容變換模塊輸出信號的帶 寬；
[0008] 所述電容變換模塊包括運(yùn)算放大器U1A和電容C1 ;所述運(yùn)算放大器U1A的反相輸 入端為微弱脈沖電流信號的輸入端，同相輸入端引腳3連接電源地，信號輸出端和反相輸 入端之間連接電容C1 ;
[0009] 所述反饋補(bǔ)償模塊包括運(yùn)算放大器U1B、電容C11、電阻R4、R5、R7以及R8 ;算放大 器U1A的輸出端串接電阻R5后接運(yùn)算放大器U1B的正相輸入端，反相輸入端和電源地之間 連接有電阻R7 ;反相輸入端串接電容C11和電阻R8后連接到輸出端；輸出端串接高阻值的 電阻R4后接到運(yùn)算放大器U1A的反向輸入端，形成電容變換模塊的負(fù)反饋。
[0010] 較佳的，所述運(yùn)算放大器U1B的正向輸入端和電源地之間連接有電容C9 ;輸出端 與電源地之間串接有電阻R6和電容C8組成的低通濾波電路。
[0011] 較佳的，所述電容轉(zhuǎn)換模塊與反饋補(bǔ)償模塊采用具有兩路運(yùn)算放大器的0PA2111 芯片。
[0012] 較佳的，運(yùn)算放大器U1A的電源正端和電源地之間并聯(lián)電容C2和電容C3,電源負(fù) 端和電源地并聯(lián)連接有電容C5和電容C6。
[0013] 較佳的，所述零點(diǎn)補(bǔ)償模塊采用運(yùn)算放大器0P27,反向輸入端通過電容C4接電容 變換模塊的輸出端，同相輸入端連接電源地，輸出端和反相輸入端之間串聯(lián)連接有電阻R1， 電源正端連接+9V，電源負(fù)端連接-9V，引腳1、5和8懸空。
[0014] 較佳的，所述設(shè)定頻率f小于1Hz，電容C1的容值小于500pF，電阻R4的阻值大于 10ΜΩ 0
[0015] 較佳的，電容變換模塊中的積分電容和零點(diǎn)補(bǔ)償模塊中的微分電容的比值大于 1:10〇
[0016] 較佳的，所述設(shè)定頻率f為0. 16Hz，電容C1容值小于10pF，電阻R4阻值高于5GQ。
[0017] 較佳的，電容C1的容值為5Pf，電阻R4阻值為106Ω ;電阻R7的阻值為10ΜΩ，電 容C11的容值為luF，電阻R8的阻值為200ΚΩ，電阻R5的阻值為10M。
[0018] 較佳的，還包括二階低通濾波模塊，采用運(yùn)算放大器0P27,零點(diǎn)補(bǔ)償模塊的輸出端 串接電阻R2和電阻R3后連接運(yùn)算放大器0P27的輸入端；輸出端串接電容C10后接到電阻 R2和電阻R3之間，形成反饋；反相輸入端和輸出端短路連接，正向輸入端和電源地之間連 接有電容C7,電源正端連接+9V，電源負(fù)端連接-9V。
[0019] 本發(fā)明具有如下有益效果：
[0020] (1)本發(fā)明的一種高增益低噪音的微弱脈沖電流信號放大電路，充分利用小電容 積分噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計反饋電路消除小電容積分容易飽和的缺點(diǎn)，再增加后級電路拓展 電路的帶寬。該電路結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性良好、噪聲低，可應(yīng)用于高增益、高帶寬、低噪音的微 弱電流信號檢測場合。
[0021] ⑵零點(diǎn)補(bǔ)償模塊利用零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)姆绞剑嵘娐返膸挕?br>[0022] (3)所述兩階低通濾波模塊用于濾除輸出信號的干擾和噪音，提高輸出信號的信 噪比。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的微弱脈沖電流信號放大電路的原理框圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明的微弱脈沖電流信號放大電路中的電容轉(zhuǎn)換模塊和反饋補(bǔ)償模塊 的電路圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明的微弱脈沖電流信號放大電路中的電容轉(zhuǎn)換模塊和反饋補(bǔ)償模塊 的原理圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明的微弱脈沖電流信號放大電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0028] -種高增益低噪音的微弱脈沖電流信號放大電路，包括電容變換模塊、反饋補(bǔ)償 模塊、零點(diǎn)補(bǔ)償模塊、兩階低通濾波模塊。電容變換模塊的輸入端連接待檢測的裝置，輸出 端連接到反饋補(bǔ)償模塊的輸入端，同時還連接到零點(diǎn)補(bǔ)償模塊的輸入端；反饋補(bǔ)償模塊的 輸出連接到電容變換模塊的輸入端形成反饋結(jié)構(gòu)；零點(diǎn)補(bǔ)償模塊的輸出連接到兩階低通濾 波模塊的輸入端；兩階低通濾波模塊的輸出為調(diào)理好的信號。電容變換模塊采用電容積分 形式將輸入電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。電容積分結(jié)構(gòu)采用的電容容值應(yīng)小于l〇pF。反饋補(bǔ) 償模塊可以將頻率低于特定頻率f的信號放大若干倍，而高于該頻率f的信號將強(qiáng)烈衰減。
[0029] 將電容變換模塊輸出信號反饋到輸入部分，反饋補(bǔ)償模塊將直流成分和頻率低 于f的信號放大，而抑制頻率高于f的信號，使得電容變換模塊輸入部分的直流成分和頻率 低于f的信號被反饋補(bǔ)償?shù)?，而不影響輸入信號中頻率高于f的信號，從而使得電容變換模 塊輸出不會達(dá)到積分飽和又能有效保證動態(tài)響應(yīng)速度。特定頻率f應(yīng)小于1Hz。
[0030] 采用的運(yùn)算放大器應(yīng)為超低偏置輸入電流、超低電流噪聲、增益帶寬積大于1MHz 的運(yùn)算放大器。零點(diǎn)補(bǔ)償模塊采用電容微分形式進(jìn)行補(bǔ)償，反饋回路中連接有高阻值電 阻，提升電路的帶寬。微分電容容值應(yīng)小于500pF，反饋回路中連接的高阻值電阻應(yīng)大于 10ΜΩ 0
[0031] 電容變換模塊中的積分電容和零點(diǎn)補(bǔ)償模塊中的微分電容的比值應(yīng)大于1:10,從 而保證電路的輸出穩(wěn)定。
[0032] 電路的總體增益A滿足:A =微分電容容值+積分電容容值X零點(diǎn)補(bǔ)償模塊中 反饋回路高阻電阻阻值。
[0033] 兩階低通濾波電路采用經(jīng)典的Sallen-Key電路結(jié)構(gòu)，改變電路中電阻電容參數(shù)， 可以使得低通濾波器的截止頻率在2KHz和50KHz之間自由選擇。
[0034] 零點(diǎn)補(bǔ)償模塊和兩階低通濾波模塊采用的運(yùn)算放大器應(yīng)為超低偏置輸入電壓、超 低電壓噪聲、增益帶寬積大于5MHz的運(yùn)算放大器。
[0035] 考慮到電容變換模塊和反饋補(bǔ)償模塊的電路連接關(guān)系，將兩個模塊的連接方式和 工作原理同時闡述。
[0036] 所述的電容變換模塊采用電容積分方式，所用的運(yùn)算放大器為低偏置、低噪聲運(yùn) 放0PA2111。0PA2111內(nèi)置兩路運(yùn)放，其中一路用于是積分電容變換模塊，另一路用于反饋 補(bǔ)償模塊，結(jié)合附圖2對電路說明如下：所述電容變換模塊中，P1為BNC接頭，為微弱電流 信號的輸入端，BNC接頭的信號端連接運(yùn)放0PA2111的反相輸入端引腳2,同相輸入端引腳 3連接電源地，引腳6為信號輸出端，輸出端和反相輸入端引腳2連接有電容C1，引腳8連 接+9V，引腳4連接-9V，引腳8和電源地之間還并聯(lián)連接有兩個并聯(lián)電容C2和C3,用于濾 除電源的波動；引腳4和電源地也并聯(lián)連接有電容C5和C6。所述反饋補(bǔ)償模塊中，電容變 換模塊輸出端為反饋補(bǔ)償模塊的輸入端，電容變換模塊輸出端引腳6連接10M電阻R5 - 端，另一端連接0PA2111另一個運(yùn)放的同相輸入端引腳5,引腳5和電源地之間還連接有電 容0. luF的電容C9,與電阻R5組成一階低通濾波電路；反相輸入端引腳6和電源地