CN100529675C - 双通道差分抗干扰电流放大电路 - Google Patents

双通道差分抗干扰电流放大电路 Download PDF

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Abstract

本发明双通道差分抗干扰电流放大电路以第一和第二电流-电压转换器的输入端为其第一和第二输入端并以它们的参考电压端为其第一和第二参考输入端，第一和第二电流-电压转换器的输出端分别接第一和第二差分放大器的正输入端，第一和第二参考输入端分别接第一和第二差分放大器的负输入端，第一和第二差分放大器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端为本发明的输出端。可在无屏蔽的情况下成功测量到皮安级别的微弱信号，在有屏蔽时也能进一步提高测量信噪比，并能抑制震动和热漂移等非电学共模干扰信号。

Description

双通道差分抗干扰电流放大电路
技术领域
本发明涉及一种电流放大的电路，特别涉及一种适用于微弱电流测量的双通道差分抗干扰电流放大电路。
背景技术
很多重要的电学(例如扫描隧道显微镜的隧道电流、心电图、脑电波等)或非电学(光、声音、压力和PH值等)信号的测量最终都是被电路或传感器转化成电流的测量而获得较高的测量精度。电流的测量，特别是微弱电流的精确测量也因此变得越来越关键。现有的微弱电流测量技术主要包括：跨阻抗(transimpedance)放大电路、积分电路(integrationcircuit)、开关积分(switched integration)电路、双通道交叉关联(double channelcross-correlation)放大技术等。这些技术都有一个共同的缺点：必须使用较好的屏蔽装置来阻止外界各种干扰信号(例如50HZ供电线干扰、手机、电台信号等)进入到测量电路中去，否则干扰信号会叠加到被测电流信号上与其一同被测量电路放大导致测量信噪比降低。这使得很多不方便使用屏蔽装置的野外测量难以获得较高的测量精度。即使对于使用了屏蔽装置的测量，通常也不能完全屏蔽干扰信号，这同样不能将测量电路的信噪比提高到其可能的最高值。此外，像热漂移和震动噪音等其它非电学的干扰也会对微弱电流测量产生显著影响。
为此，本发明提供一种将外界干扰信号转换成共模信号并利用差分放大将其除去的电流测量电路，并最终第一次在没有任何屏蔽的情况下成功测量到皮安量级的微弱信号。
发明内容
本发明的目的是为能在不屏蔽或屏蔽效果不理想的情况下获得更高的电流测量信噪比而提供一种抗干扰电流放大电路。
本发明在不屏蔽或屏蔽效果不理想的情况下提高电流测量信噪比所采用的技术方案是：
本发明一种双通道差分抗干扰电流放大电路，包括电流-电压转换器和差分放大器，其特征在于第一和第二电流-电压转换器的输入端分别构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的第一和第二输入端，所述第一和第二电流-电压转换器的参考电压端分别构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的第一和第二参考输入端，并按如下两种连接法之一构造所述双通道差分抗干扰电流放大电路：
(a)所述第一和第二电流-电压转换器的输出端分别接第一和第二差分放大器的正输入端，所述第一和第二参考输入端分别接第一和第二差分放大器的负输入端，所述第一和第二差分放大器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端；
(b)所述第一和第二电流-电压转换器的输出端分别接第一和第二差分放大器的负输入端，所述第一和第二参考输入端分别接第一和第二差分放大器的正输入端，所述第一和第二差分放大器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端。
所述第一差分放大器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间以及所述第二差分放大器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间可增设增益可调的电压放大器。
所述第一和第二电流-电压转换器为跨阻抗放大器、积分器、开关积分器。
本发明一种双通道差分抗干扰电流放大电路，包括电流-电压转换器和差分放大器，其特征在于第一和第二电流-电压转换器的输入端分别构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端和第二输入端，所述第一电流-电压转换器的参考电压端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的参考输入端，所述第二电流-电压转换器的参考电压端接地，所述第一电流-电压转换器的输出端和其参考输入端分别接该第一差分放大器的正负输入端，该第一差分放大器的输出端和所述第二电流-电压转换器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端。
所述第一差分放大器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间以及所述第二电流-电压转换器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间可增设增益可调的电压放大器。
所述第一和第二电流-电压转换器为跨阻抗放大器、积分器、开关积分器。
本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的工作原理为：
第一电流-电压转换器IVC1和第二电流-电压转换器IVC2的输入端分别构成本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端Vin1和第二输入端Vin2，而IVC1的参考电压端V1和IVC2的参考电压端V2分别构成本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一参考输入端V1和第二参考输入端V2，IVC1和IVC2的输出分别接第一差分放大器DA1和第二差分放大器DA2的正输入端，所述第一参考输入端V1和第二参考输入端V2分别接DA1和DA2的负输入端，DA1和DA2的输出分别接次级差分放大器DA3的正负输入端，DA3的输出端构成本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端Vout。
工作时，被测器件DUT的两端分别接本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端Vin1和第二输入端Vin2，本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的两个参考输入端V1和V2用于给DUT施加偏压从而在DUT内产生被测电流IX。设IX流入所述第一输入端Vin1，它被IVC1转换成以本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一参考输入端电位V1为基准电压的电压信号V(IX)，即，IVC1的输出电压为VIVC1＝V1-V(IX)。出于讨论方便，设各个差分放大器的增益为1，实际可为任意值而不产生实质影响，从而DA1的输出为VDA1＝VIVC1-V1＝-V(IX)；另一方面，IX既然流入第一输入端Vin1，它就必然从第二输入端Vin2流出，即：第二输入端Vin2流入的电流为-IX，所以IVC2的输出为VIVC2＝V2-V(-IX)。设V(-IX)＝-V(IX)，即VIVC2＝V2+V(IX)，从而DA2的输出为VDA2＝VIVC2-V2＝V(IX)；最后，从DA3的输出为VDA1-VDA2＝-2V(IX)，这就是本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的输出信号Vout。该信号依然是对IX的一个测量，但各种从外界进入到测量中的干扰信号皆为共模信号，最终被各个差分放大器消除。
我们的实验结果表明，在没有屏蔽的情况下如果仅用单通道非差分的IVC1是测不到10兆欧姆电阻的电流噪音(1皮安量级，即10-12安培)，但使用了本发明双通道差分抗干扰电流放大电路后，即使完全没有屏蔽也能测量到10兆欧姆电阻的电流噪音。测量结果见图3，图中的横坐标为被测电阻阻值Rx的平方根的倒数：1/sqrt(Rx)，纵坐标为Rx产生的噪音电流的均方根(以安培为单位)。根据电阻电流噪音的Johnson公式，电阻的电流噪音正比于其阻值的平方根的倒数。图3显示，无屏蔽条件下测量到的实验数据非常好地给出这一正比关系，其线性拟合给出的线性关联系数R2高达99.89％，而一般R2大于80％就被认为线性关联成立。图3也显示出Rx高达10兆欧姆时(电流噪音为皮安量级的微弱信号)，线性关系依然成立，这说明使用了本发明双通道差分抗干扰电流放大电路后，即使在完全没有屏蔽的条件下依然能够测量到皮安量级的微弱信号，这是现有技术做不到的。
上述电路中DA1的正负输入和DA2正负输入可以同时对调，即：IVC1和IVC2的输出分别接DA1和DA2的负输入端，第一参考输入端V1和第二参考输入端V2分别接DA1和DA2的正输入端，结果只能使得Vout变号，不产生实质影响。
上述电路中DA3的正负输入也对调，即DA1和DA2的输出分别接DA3的负正输入端，结果也只能使Vout变号，不产生实质影响。
操作时，可以调节DA1与DA2本身的增益使干扰信号完全不出现在输出信号Vout中。上述电路中DA3的两个输入端之前皆可增设增益可调的电压放大器用以调节使得DA3正负输入信号中的干扰信号完全相等，从而使干扰信号完全不出现在输出信号Vout中。
上述电路中IVC1的输出VIVC1和IVC2的输出VIVC2是依赖于第一参考输入端电位V1和第二参考输入端电位V2的，所以要使用DA1和DA2将V1和V2分别从VIVC1和VIVC2中扣除，进而使得DA3的输出信号Vout中不出现与被测电流IX无关的V1和V2。所以，如果V1或V2接地(为零电位)，它所对应的DA1或DA2就可以去掉。
上述电路中的IVC1和IVC2必须满足如下两个条件才能使得本发明双通道差分抗干扰电流放大电路正常工作：第一、能将被测电流IX转换成电压信号V(IX)，第二、满足V(-IX)＝-V(IX)。满足这两个条件的电流-电压转换器皆可用作本发明的IVC1和IVC2，例如：跨阻抗放大器、积分器、开关积分器等。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)第一次在没有任何屏蔽的情况下成功测量到皮安级别的微弱信号，这一点已经被我们实验证实，实验结果见图3，这是现有技术做不到的。
(2)在有屏蔽时也能进一步提高测量信噪比。
(3)能抑制其它共模干扰信号，例如：震动干扰、热漂移等。
(4)偏压上的电压噪音与电流噪音对测量几乎没有影响，因为偏压是加在参考输入端的，其上的噪音信号不会被电流-电压转换器进一步放大。
附图说明
图1是本发明双参考输入型双通道差分抗干扰电流放大电路基本结构示意图。
图2是本发明单参考输入型双通道差分抗干扰电流放大电路基本结构示意图。
图3是在完全没有屏蔽的情况下使用本发明双通道差分抗干扰电流放大电路测量到的电阻电流噪音随电阻阻值的变化关系，图中的横坐标为被测电阻阻值Rx的平方根的倒数：1/sqrt(Rx)，纵坐标为Rx产生的噪音电流的均方根(以安培为单位)，其线性拟合给出的线性关联系数R2高达99.89％，为强线性关联，与Johnson公式符合得很好，即使Rx高达10兆欧姆时(电流噪音为皮安量级的微弱信号)，线性关系依然成立，这说明使用了本发明双通道差分抗干扰电流放大电路后，即使在完全没有屏蔽的条件下依然能够测量到皮安量级的微弱信号，这是现有技术做不到的。
图中标号：Vin1第一输入端、Vin2第二输入端、V1第一参考输入端、V2第二参考输入端、IVC1第一电流-电压转换器、VIVC1第一电流-电压转换器的输出、IVC2第二电流-电压转换器、VIVC2第二电流-电压转换器的输出、DA1第一差分放大器、VDA1第一差分放大器的输出、DA2第二差分放大器、VDA2第二差分放大器的输出、DA3次级差分放大器、Vout输出端。
以下通过具体实施方式，结构附图对本发明作进一步描述
具体实施方式
实施例1：本发明双参考输入型双通道差分抗干扰电流放大电路
参见图1，第一电流-电压转换器IVC1的输入端Vin1和第二电流-电压转换器IVC2的输入端Vin2分别构成本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端Vin1和第二输入端Vin2，IVC1的参考电压端V1和IVC2的参考电压端V2分别构成本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一参考输入端V1和第二参考输入端V2，IVC1的输出VIVC1和IVC2的输出VIVC2分别接第一差分放大器DA1和第二差分放大器DA2的正输入端，V1和V2分别接DA1和DA2的负输入端，DA1的输出VDA1和DA2的输出VDA2分别接次级差分放大器DA3的正负输入端，该DA3的输出端Vout构成本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端Vout。
工作时，被测器件DUT的两端分别接本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端Vin1和第二输入端Vin2，本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的两个参考输入端V1和V2用于给DUT施加偏压从而在其内产生被测电流IX。设IX流入Vin1，它被第一电流-电压转换器IVC1转换成以第一参考输入端电位V1为基准电压的电压信号V(IX)，即，IVC1的输出为VIVC1＝V1-V(IX)。设各个差分放大器的增益为1(实际可为任意值而不产生实质影响)，从而第一差分放大器DA1的输出为VDA1＝VIVC1-V1＝-V(IX)；另一方面，IX既然流入Vin1，它就必然从Vin2流出，即：向Vin2流入的电流为-IX，所以第二电流-电压转换器IVC2的输出为VIVC2＝V2-V(-IX)。设V(-IX)＝-V(IX)，即VIVC2＝V2+V(IX)，从而第二差分放大器DA2的输出为VDA2＝VIVC2-V2＝V(IX)；最后，从次级差分放大器DA3的输出为VDA1-VDA2＝-2V(IX)，这就是本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的输出信号Vout。该信号依然是对IX的一个测量，但各种从外界进入到测量电路中的干扰信号皆为共模信号，最终被各个差分放大器消除。我们的实验结果表明，在没有屏蔽的情况下如果仅用单通道非差分的IVC1是测不到10兆欧姆电阻的电流噪音(1皮安量级)，但使用了本发明双通道差分抗干扰电流放大电路后，即使完全没有屏蔽也能测量到10兆欧姆电阻的电流噪音(见图3)。
上述电路中第一差分放大器DA1的正负输入和第二差分放大器DA2正负输入可以同时对调，即：IVC1和IVC2的输出端分别接DA1和DA2的负输入端，第一参考输入端V1和第二参考输入端V2分别接DA1和DA2的正输入端，结果只能使得本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的输出信号Vout变号，不产生实质影响。上述电路中次级差分放大器DA3的正负输入也可对调，结果仅使Vout变号，不产生实质影响。
操作时，可以调节DA1与DA2本身的增益使干扰信号完全不出现在输出信号Vout中。DA3的两个输入端之前皆可增设增益可调的电压放大器用以调节使得DA3正负输入信号中的干扰信号完全相等，从而使干扰信号完全不出现在DA3的输出信号Vout中。
实施例2：本发明单参考输入型双通道差分抗干扰电流放大电路
上述实施例1中第一电流-电压转换器IVC1的输出VDA1和第二电流-电压转换器IVC2的输出VDA2是依赖于本发明双通道差分抗干扰电流放大电路的第一参考输入V1和第二参考输入V2的，所以要使用第一差分放大器DA1和第二差分放大器DA2将V1和V2分别从VDA1和VDA2中扣除，进而使得次级差分放大器DA3的输出信号Vout中不出现与被测电流IX无关的V1和V2。所以，如果V1或V2接地(为零电位)，它所对应的第一差分放大器DA1或第二差分放大器DA2就可以去掉，构成单参考输入型双通道差分抗干扰电流放大电路，见图2。
上述电路中次级差分放大器DA3的正负输入也可对调，结果仅使Vout变号，不产生实质影响。操作时，可以调节DA1本身的增益使干扰信号完全不出现在输出信号Vout中。DA3的两个输入端之前也皆可增设增益可调的电压放大器用以调节使得DA3正负输入信号中的干扰信号完全相等，从而使干扰信号完全不出现在DA3的输出信号Vout中。
实施例3：本发明双通道差分抗干扰电流放大电路中的电流-电压转换器
上述实施例1-2中的电流-电压转换器IVC1和IVC2必须满足如下两个条件才能使得本发明正常工作：第一、将被测电流IX转换成电压信号V(IX)，第二、V(-IX)＝-V(IX)。满足这两个条件的电流-电压转换器皆可用作本发明的IVC1和IVC2，例如：跨阻抗放大器、积分器、开关积分器等。

Claims (6)

1、一种双通道差分抗干扰电流放大电路，包括电流-电压转换器和差分放大器，其特征在于第一和第二电流-电压转换器的输入端分别构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端和第二输入端，所述第一和第二电流-电压转换器的参考电压端分别构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的第一和第二参考输入端，并按如下两种连接法之一构造所述双通道差分抗干扰电流放大电路：
(a)所述第一和第二电流-电压转换器的输出端分别接第一和第二差分放大器的正输入端，所述第一和第二参考输入端分别接第一和第二差分放大器的负输入端，所述第一和第二差分放大器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端；
(b)所述第一和第二电流-电压转换器的输出端分别接第一和第二差分放大器的负输入端，所述第一和第二参考输入端分别接第一和第二差分放大器的正输入端，所述第一和第二差分放大器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端。
2、根据权利要求1所述的双通道差分抗干扰电流放大电路，其特征是所述第一差分放大器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间以及所述第二差分放大器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间增设增益可调的电压放大器。
3、根据权利要求1或2所述的双通道差分抗干扰电流放大电路，其特征是所述第一和第二电流-电压转换器为跨阻抗放大器和/或积分器。
4、一种双通道差分抗干扰电流放大电路，包括电流-电压转换器和差分放大器，其特征在于第一和第二电流-电压转换器的输入端分别构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的第一输入端和第二输入端，所述第一电流-电压转换器的参考电压端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的参考输入端，所述第二电流-电压转换器的参考电压端接地，所述第一电流-电压转换器的输出端和其参考输入端分别接该第一差分放大器的正负输入端，该第一差分放大器的输出端和所述第二电流-电压转换器的输出端分别接次级差分放大器的正负或负正输入端，该次级差分放大器的输出端构成所述双通道差分抗干扰电流放大电路的输出端。
5、根据权利要求4所述的双通道差分抗干扰电流放大电路，其特征是所述第一差分放大器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间以及所述第二电流-电压转换器的输出端和其对应的次级差分放大器的输入端之间增设增益可调的电压放大器。
6、根据权利要求4或5所述的双通道差分抗干扰电流放大电路，其特征是所述第一和第二电流-电压转换器为跨阻抗放大器和/或积分器。
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