專利名稱：一種微電流放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測(cè)信號(hào)放大器，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種微電流放大器。
背景技術(shù)：
微電流放大器用于放大電流輸出型光電探測(cè)器的信號(hào)。目前微電流放大 器通常采用電流-電壓轉(zhuǎn)換器，用改變反饋電阻的方法增大其量程，如圖1
所示(見參考文獻(xiàn)島津氣相色譜FID微電流放大器及極化電壓源線路板的 剖析，國(guó)外分析儀器技術(shù)及應(yīng)用，1992年，第l期，p36-39)。這一方法的 主要缺點(diǎn)是由于不同反饋電阻微電流放大器的建立和穩(wěn)定需要一定時(shí)間，不 適用于探測(cè)信號(hào)在大量程范圍內(nèi)快速變化的情況。
增大微電流放大器量程的另 一 方法是采用多路不同增益的電流-電壓轉(zhuǎn) 換器，用轉(zhuǎn)換開關(guān)選取一路與光電倍增管連接，對(duì)不同量程的輸入信號(hào)，選 取不同增益的電流-電壓轉(zhuǎn)換器，達(dá)到擴(kuò)大量程范圍的目的，如圖2所示見 參考文獻(xiàn)Versatile Plasma Probe, Rev. Sci. Instrum., 1975, 46(5), p592-598 )。 這一方法的主要缺點(diǎn)是在微電流放大器的輸入端使用轉(zhuǎn)換開關(guān)，較易引入干 擾、并降低了電路的可靠性；此外，各路電流-電壓轉(zhuǎn)換器從開路到穩(wěn)定工 作仍需一定的穩(wěn)定時(shí)間。并且在上述兩種方法中，為獲得大的放大器量程， 測(cè)量更微弱的信號(hào)，需增大電流-電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電阻，這將進(jìn)一步限制 了微電流放大器的帶寬，因此它也不適用于測(cè)量快速變化的微弱信號(hào)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗干擾能力較 強(qiáng)、電路可靠性高，并且能夠在大量程范圍內(nèi)測(cè)量快速變化的微弱信號(hào)的微 電流放大器。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的微電流放大器包括多路具有不同 增益的微電流放大支路和與之連接的多路電子開關(guān)，所述微電流放大支路 包括依次連接的光電纟果測(cè)器、匹配電阻和電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。
3上述技術(shù)方案中，所述匹配電阻阻值比光電探測(cè)器的輸出阻抗至少小兩個(gè)量級(jí)。
上述技術(shù)方案中，所述匹配電阻阻值比電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗至少大兩個(gè)量級(jí)。
上述技術(shù)方案中，所述不同微電流放大支路的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路具有不同的反饋電阻。
上述技術(shù)方案中，部分所述微電流放大支路還包括直流放大器，該直流放大器的輸入端與所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接。
上述技術(shù)方案中，所述微電流放大支路還包括電壓跟隨器，所述電壓跟隨器連接在所述微電流放大支路的輸出端。
上述技術(shù)方案中，所述多路電子開關(guān)與各微電流放大支路的電壓跟隨器的輸出端連接。
上述技術(shù)方案中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器包括運(yùn)算放大器芯片，該運(yùn)算放大器芯片的增益帶寬比所述微電流放大器的設(shè)計(jì)帶寬至少大兩個(gè)量級(jí)，并且該運(yùn)算放大器芯片的偏流和失調(diào)電壓比運(yùn)算放大器所要測(cè)量的電流和運(yùn)算放大器的輸出電壓至少小兩個(gè)量級(jí)。
上述技術(shù)方案中，所述匹配電阻和反饋電阻均釆用溫度系數(shù)應(yīng)小于
50ppm/°C的金屬膜電阻。
上述技術(shù)方案中，所述電子開關(guān)還連接計(jì)算單元，該計(jì)算單元用于為所述電子開關(guān)提供地址碼以決定選通哪一路微電流放大支路。
本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下技術(shù)效果
本發(fā)明的各電流-電壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)匹配電阻與光電探測(cè)器連接，同時(shí)對(duì)光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大，消除了放大器建立和穩(wěn)定所需要的時(shí)間和利用轉(zhuǎn)換開關(guān)可能引起的干擾，提高了電路的可靠性。
本發(fā)明釆用電流-電壓轉(zhuǎn)換器和直流放大器相結(jié)合的放大方式，減小了電路分布電容的影響，在加大微電流放大器量程的同時(shí)，也提高了放大器的帶寬；減小了反饋電阻的阻值，有利于改善電路的溫度系數(shù)。同時(shí)本發(fā)明在信號(hào)得到適當(dāng)放大后，再由電子開關(guān)選取一路輸出，減小了對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾。
本發(fā)明由單片機(jī)判斷所測(cè)電流的大小，并給出電子開關(guān)地址碼，控制電子開關(guān)對(duì)信號(hào)的選取，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)的自動(dòng)化。本發(fā)明適用于探測(cè)微弱信號(hào)在大量程范圍內(nèi)快速變化的場(chǎng)合，特別是衛(wèi)星遙感探測(cè)的情況，如紫外波段后向散射輻射的衛(wèi)星測(cè)量。


以下，結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，其中
圖l是調(diào)節(jié)反饋電阻的微電流放大器的原理示意圖2是一種多路選擇的微電流放大器的原理示意圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的快速寬量程微電流放大器的電路示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。
如圖3所示，本實(shí)施例包括光電探測(cè)器1、匹配電阻R1、 R2、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(本實(shí)施例中主要由運(yùn)算放大器和反饋電阻組成)、電壓跟隨器組件2、直流放大器，電子開關(guān)3、 AD采集電路4和單片機(jī)5。
光電探測(cè)器1的微電流輸出經(jīng)匹配電阻Rl供給一路電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)匹配電阻R2供給另一路電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。光電探測(cè)器l可釆用光電倍增管或其它電流源的光電探測(cè)器，本實(shí)施例采用R7111-01光電倍增管。對(duì)微電流而言，光電倍增管具有高增益、快速、寬量程和線性度好的特點(diǎn)，是紫外、可見光波段典型的電流輸出型光電探測(cè)器。匹配電阻R1、 R2選取溫度系數(shù)小于50ppm/。C的金屬膜電阻，其電阻值應(yīng)比光電探測(cè)器的輸出阻抗至少小兩個(gè)量級(jí)，并比電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗至少大兩個(gè)量級(jí)，這樣可以保證光電探測(cè)器1的輸出特性不變，并使得兩路電流-電壓轉(zhuǎn)換器間能夠有效隔離。對(duì)光電倍增管探測(cè)器，匹配電阻在幾百千歐姆到幾兆歐姆間選取，并選取Rl和R2的電阻值相等。
為保證電流-電壓轉(zhuǎn)換器具有良好的線性，電流-電壓轉(zhuǎn)換器所采用的運(yùn)算放大器芯片的增益帶寬應(yīng)比微電流放大器帶寬至少大兩個(gè)量級(jí)，而偏流和失調(diào)電壓也應(yīng)比測(cè)量電流和輸出電壓至少小兩個(gè)量級(jí)。本實(shí)施例中，電流-電壓轉(zhuǎn)換電路包括兩個(gè)獨(dú)立的電流-電壓轉(zhuǎn)換器，它們分別由運(yùn)算放大器Al 、反饋電阻R3和運(yùn)算放大器A2、反饋電阻R4組成。其運(yùn)算放大器A1、 A2均采用OP17運(yùn)算放大器，電路形式相同，但反饋電阻R3、 R4不同。OP17運(yùn)算放大器的增益帶寬高達(dá)30MHz、偏流小于15pA、失調(diào)電壓小于0.2mV,保證了微電流放大器lkHz的帶寬。反饋電阻根據(jù)對(duì)電流-電壓轉(zhuǎn)換器放大倍數(shù)的設(shè)計(jì)要求選取，本實(shí)施例選取的兩個(gè)獨(dú)立的電流-電壓轉(zhuǎn)換器的放大倍
數(shù)相差5倍，反饋電阻R3取為2MQ，而反饋電阻R5取為IOMQ。為保證放大器具有低的溫度系數(shù)，反饋電阻采用金屬膜電阻、溫度系數(shù)應(yīng)小于50ppm/oC。
電流-電壓轉(zhuǎn)換電路將光電探測(cè)器1輸出的微電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓后，一路電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)電壓跟隨器組件2直接供給電子開關(guān)3,另一路的輸出在經(jīng)電壓跟隨器組件2供給電子開關(guān)3的同時(shí)，也供給直流放大器將電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓信號(hào)進(jìn)一步放大后，再經(jīng)電壓跟隨器組件2供給電子開關(guān)3。本實(shí)施例中，為提高微電流放大器的帶寬，適應(yīng)快速變化信號(hào)的測(cè)量能力，微電流放大器采用了電流-電壓轉(zhuǎn)換器和直流放大器相結(jié)合的放大方式。即放大倍數(shù)小的各路電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后直接供給電子開關(guān)；而放大倍數(shù)最大的 一路電流-電壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓在經(jīng)過(guò)電壓跟隨器供給電子開關(guān)的同時(shí)，也供給直流放大器將電流-電壓轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)一步放大后，再經(jīng)電壓跟隨器供給電子開關(guān)。這樣減小了電流-電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電阻阻值，增大了微電流放大器帶寬。有利于在增大微電流放大器量程的同時(shí)，提高微電流放大器的帶寬。如當(dāng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電阻為100MQ時(shí)，為使放大器的帶寬達(dá)到lkHz,要求分布電容小于1.5pF，這在實(shí)際中是較難達(dá)到的；而采用IO倍的直流放大器與電流-電壓轉(zhuǎn)換器相配合，電流-電壓轉(zhuǎn)換器的反饋電阻阻值僅需10Ma這將大大降低了對(duì)電路分布電容的要求，從而提高了微電流放大器的帶寬。
本實(shí)施例的直流放大器由運(yùn)算放大器A3和電阻R5、 R6組成。為保證整個(gè)電路的動(dòng)態(tài)范圍，直流放大器應(yīng)具有適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，但放大倍數(shù)不能太大，以保證直流放大器有較小的零點(diǎn)漂移；在本電路中取為10倍。為保證放大器的溫度穩(wěn)定性電阻R5、 R6采用金屬膜電阻、溫度系數(shù)應(yīng)小于50ppm/°C，其阻值的選取保證直流放大器放大倍數(shù)的實(shí)現(xiàn)。為減小直流放大器的漂移，運(yùn)算放大器A3采用OP17運(yùn)算放大器。
電壓跟隨器組件2由三個(gè)獨(dú)立的電壓跟隨器組成，每個(gè)電壓跟隨器均采用LM158運(yùn)算放大器構(gòu)成。電壓跟隨器主要起信號(hào)隔離的作用，避免前后級(jí)信號(hào)間的干擾。電壓跟隨器組件2的三路電壓輸出經(jīng)電子開關(guān)3選取后，僅一路供給AD采集電路4進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電子開關(guān)3采用ADG509芯片，該芯片可對(duì)四路輸入電壓根據(jù)地址碼選取一路輸出，在本例中僅使用其中三路。電壓跟隨器組件2的R7-R9電阻選用10kQ的電阻。
電子開關(guān)3對(duì)電壓跟隨器組件2輸出的三路電壓信號(hào)的選取由單片機(jī)5提供的地址碼控制。單片機(jī)5提供地址碼的原則是使輸出到AD采集電路4的電壓信號(hào)既不飽和、又具有一定的放大倍數(shù)。
當(dāng)采用R7111-01光電倍增管時(shí)，本微電流放大器可用于測(cè)量1kHz的快速變化信號(hào)，測(cè)量最小電流信號(hào)為2xl(r4|aA,動(dòng)態(tài)范圍5xl04，且在_10°C—-+40。C的溫度變化范圍內(nèi)，增益的變化<0.5%。
本發(fā)明中的各匹配電阻阻值， 一般選取相同為宜。本發(fā)明的光電探測(cè)器通過(guò)匹配電阻與電流-電壓轉(zhuǎn)換器的連接方式，避免使用轉(zhuǎn)換開關(guān)，各電流-電壓轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作，消除了放大器建立和穩(wěn)定所需要的時(shí)間和利用轉(zhuǎn)換開關(guān)可能引起的干擾，提高了電路的可靠性。
本實(shí)施例提供了一種3路微電流放大器，但本發(fā)明并不限定為3路，容易理解，根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思可以得出多路微電流放大器。
本發(fā)明的光電纟果測(cè)器還可采用其它類型的電流輸出型探測(cè)器，如光電管等。
權(quán)利要求
1.一種微電流放大器，包括多路具有不同增益的微電流放大支路和與之連接的多路電子開關(guān)，所述微電流放大支路包括依次連接的光電探測(cè)器、匹配電阻和電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述匹配電阻 阻值比光電探測(cè)器的輸出阻抗至少小兩個(gè)量級(jí)；并且所述匹配電阻阻值比電 流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗至少大兩個(gè)量級(jí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微電流放大器，其特征在于，所述不同微電 流放大支路的電流-電壓轉(zhuǎn)換電路具有不同的反饋電阻。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，部分所述微電 流放大支路還包括直流放大器，該直流放大器的輸入端與所述電流-電壓轉(zhuǎn) 換電路的輸出端連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的微電流放大器，其特征在于，所述微電 流放大支路還包括電壓跟隨器，所述電壓跟隨器連接在所述微電流放大支 路的輸出端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的微電流放大器，其特征在于，所述多路電子 開關(guān)與各微電流放大支路的電壓跟隨器的輸出端連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述電流-電 壓轉(zhuǎn)換器包括運(yùn)算放大器芯片，該運(yùn)算放大器芯片的增益帶寬比所述微電流 放大器的設(shè)計(jì)帶寬至少大兩個(gè)量級(jí)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的微電流放大器，其特征在于，所述匹配電阻 和反饋電阻均采用溫度系數(shù)應(yīng)小于50ppm/。C的金屬膜電阻。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述電子開關(guān) 還連接計(jì)算單元，該計(jì)算單元用于為所述電子開關(guān)提供地址碼以決定選通哪 一路微電流;改大支路。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微電流放大器，包括多路具有不同增益的微電流放大支路和與之連接的多路電子開關(guān)，所述微電流放大支路包括依次連接的光電探測(cè)器、匹配電阻和電流-電壓轉(zhuǎn)換電路。部分所述微電流放大支路還包括直流放大器，該直流放大器的輸入端與所述電流-電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接。本發(fā)明具有干擾低、電路可靠性高，能夠在大量程范圍內(nèi)測(cè)量快速變化的微弱信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/12GK101556169SQ200810103490
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月7日
發(fā)明者呂建工, 張仲謀, 王詠梅, 王永松, 王英鑒, 濟(jì) 陳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心