一種提高帶寬且降低噪音的基于集成運放的前置放大電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于高帶寬前置放大電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高帶寬且降低噪 音的基于集成運放的前置放大電路。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)前，隨著高速、高精度納米技術(shù)飛速發(fā)展，高帶寬、低噪音前置放大電路的重要 性日益凸顯，如在高速成像掃描隧道顯微鏡（STM)研發(fā)方面。然而，目前的高帶寬前置放大 電路存在如下問題：（1)高帶寬電路在放大有用信號的同時，必然會將該頻段的噪音也一 并放大，造成信噪比下降的惡果，即高寬帶與低噪音難以兼容，通常不得不在高帶寬與低噪 音之間選擇一個折中和妥協(xié)；（2)掃描隧道顯微鏡的反饋電阻很大，通常在1M~1GW之間，目 前帶寬的算法為：/B=l/2pRfCf，因此即使反饋電阻自身小到不足lpF的寄生電容Cf也會對 帶寬有很大的限制，導(dǎo)致帶寬的上限僅在約10kHz或者更低。為此，國際知名刊物《Nature》 甚至在2007的文章Nature450,85 (2007)中發(fā)表了一個可以將STM前置放大電路帶寬提 高到10MHz的方法。但是該文章并沒有給出原子分辨率的圖像，說明該電路的信噪比不夠 高，即高帶寬引入了強噪聲。
[0003] 截止目前，高帶寬、低噪音的前置放大電路還沒有一個很好的解決方案，成為納米 科技和高頻電路應(yīng)用等領(lǐng)域的一大難題。在項目批準(zhǔn)號為11304082的國家自然科學(xué)基金 《超快速掃描隧道顯微鏡的改進與應(yīng)用》的支持下，本專利攻克了該難題，并測試到了很好 的實驗數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本實用新型解決的技術(shù)問題是提供了一種提高帶寬且降低噪音的基于集成運放 的前置放大電路，該放大電路的技術(shù)方案克服了STM的大反饋電阻難以實現(xiàn)高帶寬以及高 帶寬勢必帶來高噪音的難題，同時實現(xiàn)了高帶寬、低噪音的理想效果。
[0005] 本實用新型為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種提高帶寬且降低噪音的 基于集成運放的前置放大電路，其特征在于：負信號輸入端vin_與集成運算放大器0PA的反 相輸入端1之間設(shè)有相互并聯(lián)的輸入電阻Rin和輸入電容Cin，負信號輸入端Vin_與輸入信 號相連，集成運算放大器0PA的反相輸入端V_與集成運算放大器0PA的信號輸出端V_之 間設(shè)有相互并聯(lián)的反饋電阻Rf和反饋電容Cf，集成運算放大器0PA的同相輸入端V+通過正 信號輸入端Vin+接地或與參考電位相連。屬于電壓并聯(lián)負反饋的連接方式。
[0006] 本實用新型所述的一種提高帶寬且降低噪音的基于集成運放的前置放大電路，其 特征在于：負信號輸入端vin_與集成運算放大器0PA的反相輸入端V_之間設(shè)有相互并聯(lián) 的輸入電阻Rin和輸入電容Cin，負信號輸入端Vin_接地或與參考電位相連，集成運算放大器 0PA的反相輸入端V_與集成運算放大器0PA的信號輸出端V_之間設(shè)有相互并聯(lián)的反饋電 阻Rf和反饋電容Cf，集成運算放大器0PA的同相輸入端V+通過正信號輸入端Vin+與輸入信 號相連。屬于電壓串聯(lián)負反饋的連接方式。
[0007] 進一步限定，所述輸入電阻Rin和輸入電容Cin的乘積等于反饋電阻Rf和反饋電容Cf的乘積。此時，在不考慮集成運放增益帶寬積影響的前提下，那么放大電路的帶寬將為無 限大。
[0008] 本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，能夠同時實現(xiàn)提高帶寬和降低噪音的雙重效果， 具有很大的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本實用新型中并聯(lián)有輸入電容cin和反饋電容cf的電壓并聯(lián)負反饋放大電 路的原理圖，圖2是本實用新型對應(yīng)于圖1原理圖得到的前置放大電路帶寬數(shù)據(jù)，圖3是本 實用新型中并聯(lián)有輸入電容Cin和反饋電容(^的電壓串聯(lián)負反饋放大電路的原理圖，圖4是 本實用新型對應(yīng)于圖3原理圖得到的前置放大電路帶寬數(shù)據(jù)。
[0010] 其中，1^=2麗，心=10麗，(^=10(^，(^=2(^，所選用的集成運算放大器(^為1'1公 司的OPA627BP。
【具體實施方式】
[0011] 以下通過實施例對本實用新型的上述內(nèi)容做進一步詳細說明，但不應(yīng)該將此理解 為本實用新型上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本實用新型上述內(nèi)容實現(xiàn)的技 術(shù)均屬于本實用新型的范圍。
[0012] 目前，導(dǎo)致低通效果的原因可以大致分為：（1)主動接入濾波電容的主動低通電 路，包括在同相輸入端V+和地或參考電位之間接入電容、以及在反相輸入端v+和輸出端vwt 之間接入電容；（2)被動接入電容的被動低通電路，即不主動在上述位置處接入電容，但是 在上述位置處的電阻或相關(guān)器件的寄生電容，即可導(dǎo)致帶寬的大幅降低；和（3)主動低通 與被動低通同時存在的電路。
[0013] 目前被關(guān)注到的通常是主動低通電路，但不管是主動低通電路還是被動低通電 路，所選用的帶寬計算公式均為：/B=l/2pRC。如文章Nature450,85 (2007)中的描述。 [0014] 本實用新型關(guān)注的是由于掃描隧道顯微鏡（STM)前置放大電路，其大反饋電阻自 身的寄生電容將導(dǎo)致被動低通電路。在分析該難題的基礎(chǔ)上，本專利提出了解決該類問題 的普適性方法、進一步變被動為主動，極大地提高了帶寬。同時，本方案不僅沒有帶來噪音 的增加，甚至降低了噪音。
[0015] 低通電路及帶寬產(chǎn)生的原因是，放大電路輸出信號Vwt(f)對輸入信號Vin(f)的放 大倍數(shù)lUfWJf) |隨著頻率的增大會逐漸減??；如果某一頻率f時的放大倍數(shù)減小到 0頻率時的0. 707倍，那么該頻率點就定義為低通電路的帶寬fB。這是由于無論是與反饋電 阻并聯(lián)的寄生電容Cp、還是人為主動添加的與反饋電阻并聯(lián)的電容Cf，隨著輸入信號頻率 fj勺增大，C1)或C拍容抗將都會快速減小。因此將導(dǎo)致反饋部分的總阻抗快速降低、放大 倍數(shù)lUfVVjf) | = |Rf//ZCf | /Rj^速下降，直至無法正常放大一一即更高頻率的輸 入信號無法通過，產(chǎn)生低通的效果，并因此得到低通放大電路帶寬的公式/B=lA2pRfCf)。
[0016] 但是上述現(xiàn)有的認識和低通放大電路的帶寬計算公式僅意識到了電路的反饋部 分的&和cf對信號增益的影響，并沒有意識到輸入部分Rin和Cin對信號增益的影響，因此 是一個不全面的理論。當(dāng)輸入信號經(jīng)過輸入電阻Rin以及與之并聯(lián)的輸入電容Cin時，隨著 輸入信號頻率fj勺增大，CJ勺容抗Zein、以及總輸入阻抗|Rin//ZanI將同樣會快速減小。 由此產(chǎn)生的總體效果將有可能會減緩信號放大倍數(shù)隨輸入信號頻率fin的增大而衰減的速 率，甚至隨著輸入信號頻率fin的增大信號放大倍數(shù)也隨之增大。
[0017] 根據(jù)：（1)集成運算放大器虛短與虛斷的理想特性和（2)歐姆定律、（3)基爾霍夫 電流定律，可得，對于并聯(lián)電壓負反饋的前置放大電路來說，如圖1所示，我們可以推出：
[0018]
[0019] 田此口J知，aKin(Jin=Kf(Jf^，舍令：|VoutU'VVin⑴I=Kf/KinuVoutUJVVinW。
[0020] 即無論f為多大，始終有IVjfWJf) |1_(0)/^(0)，頻率€不再是一個影響 信號增益的因素。無論對于輸入信號的任何頻率，信號的增益|Vwt(f)/Vin(f)I始終與0頻 率時的增益Vwt(0)/Vin(0)相同、而沒有下降3dB、因此也不再有帶寬的概念，輸出增益曲線 始終是一條水平的直線，或者說這是最理想的高"帶寬"表現(xiàn)。
[0021] 而且此時，"帶寬"也將不再受到公式/B=lA2pRfCf)的限制，大反饋電阻同樣可以 實現(xiàn)高帶寬，甚至可以為無窮大，外圍電路對放大電路帶寬的限制降為0。
[0022] 但實際應(yīng)用時，由于集成運算放大器增益帶寬積（GBPW)的限制，帶寬不可能無限 大、而會是一個有限值，但該有限的帶寬與現(xiàn)有帶寬的原理已經(jīng)不同。
[0023] 在具體實施時，本專利建議（1)為了減小電路中難以具體測量的寄生電容Cp對帶 寬的影響，選用容值較大的輸入電容cin和反饋電容Cf，可以提高帶寬；（2)精確選擇各個電 阻和電容的值，精確滿足RinCin=RfCf，會使得帶寬更高；（3)選用增益帶寬積GBPW較大的運 算放大器OPA，減弱GBPW對帶寬的限制；（4)當(dāng)集成運放的增益帶寬積GBPW無法改變時，減 小增益（即放大倍數(shù))，也可成倍提高帶寬。
[0024] 而且，由于（1)本專利中主動