CN112583366B - 一种光电极化电压平方根放大电路、电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光电极化电压平方根放大电路、电器，属于化学分析仪器领域，包括光电极化电压电路和平方根放大电路。光电极化电压电路由发光二极管和光电二极管阵列组成的隔离光电转换芯片VO1263串联组成，平方根放大电路由精密匹配的四个三极管和微电流运算放大器和低噪声放大器组成，光电极化电压和平方根放大电路放置在一个屏蔽盒内。本发明解决了现有技术隔离和去噪，体积大，屏蔽困难，生产难度大，不便于微型化和芯片集成化的问题。
Description
技术领域
本发明属于化学分析仪器领域，具体涉及一种光电极化电压平方根放大电路、电器。
背景技术
气相色谱仪是利用色谱分离技术和检测技术，对多组分的复杂混合物进行定性和定量分析仪器。常用的检测器类型有氢火焰离子化检测器、热导检测器、电子捕获检测器、火焰光度检测器、氮磷检测器、催化燃烧检测器、光离子化检测器等。
随着科技的发展，新兴的电子芯片等元件出现。传统的色谱检测器电路在信噪比和信号的测量范围都亟待提高。氢火焰离子检测器是气象色谱重要的检测器之一。氢火焰离子化检测器简称FID，它是典型的破坏性、质量型检测器，是以氢气和空气燃烧生成的火焰为能源，当有机化合物进入以氢气和氧气燃烧的火焰，在高温下产生化学电离，电离产生比基流高几个数量级的离子，在高压电场的定向作用下，形成离子流，微弱的离子流(10-12～10-8A)经过高阻(106～1011Ω)放大，成为与进入火焰的有机化合物量成正比的电信号，因此可以根据信号的大小对有机物进行定量分析。
氢火焰离子检测器的重要电路是前置放电路，对检测器的检测下限、分辨率和灵敏度有着较大影响。由于检测器的此类指标是气相色谱仪的核心竞争点，所以检测器中实现微小电流放大电路性能也直接决定着气相色谱仪的性能。
目前常用的进口仪器安捷伦和岛津采用的前置放大电路为平方根放大电路，图1为目前氢火焰离子检测器放大电路中的结构图，包括DC-DC升压电路、DC-DC升压电路屏蔽部分和平方根放大电路，极化电压产生方式以DC-DC变换的方式变压器升压，并做好隔离和去噪，体积大，屏蔽困难，生产难度大，关键的是不便于微型化和芯片集成化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种光电极化电压平方根放大电路、电器，在平方根放大电路的基础上采用光电转换法产生极化电压直接施加在放大电路的前端，利用光电转换器件体积小，无噪声，便于屏蔽等特点，提高了前置放大电路整体信噪比。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光电极化电压平方根放大电路，包括光电极化电压电路和平方根放大电路；
光电极化电压电路由八个隔离光电转换芯片依次串联组成；
平方根放大电路由四个配对的NPN三极管芯片、两个低噪声放大器、一个微电流运算放大器及电容、电阻连接组成，输入端与光电极化电压电路的电压输出端直接连接。
优选地，光电转换芯片型号为VO1263AAC，由发光二极管和光电二极管阵列组成；极化电压由光电方式产生，光电转换方式采用多级串联，发光部分与电压产生的光电二极管隔离，光电转换极化电压达200V。
优选地，低噪声放大器型号为OPA2277，微电流运算放大器型号为ADA4530-1，NPN三极管芯片型号为MAT14。
一种光电极化电压平方根放大电器，包括光电极化电压平方根放大电路板、数据转换板、屏蔽壳、信号输入端和屏蔽盖，光电极化电压平方根放大电路板上集成了如上所述的光电极化电压平方根放大电路。
优选地，光电极化电压平方根放大电路板置于由屏蔽壳和屏蔽盖组成的屏蔽空间内；数据转换板置于屏蔽壳正上方；数据转换板的四个角、屏蔽壳的四个角以及屏蔽盖的四个角对齐放置，通过螺母紧密连接；信号输入端通过2个螺母连接在屏蔽壳一侧。
本发明所带来的有益技术效果：
1.光电极化电压采用光电转换法得到，由于光电转换器件体积小，无噪声，便于屏蔽等特点，提高了前置放电路整体信噪比，避免了由变压器升压的方法产生的噪声干扰；不采用变压器、线圈等无法芯片化的器件，缩小了极化电压电路部分的体积，使氢火焰离子化检测器的放电路微型化和芯片化，为离子检测放大器专用芯片设计提供基础；
2.平方根放大电路提供了更大的测量范围；平方根放大电路由对数电路和指数电路组成，对数和指数电路采用严格匹配的NPN三极管设计，消除了温度对放大电路的影响；
3.光电极化电压设计在平方根放大电路的前端，可使离子收集装置变得更简单。
附图说明
图1是目前氢火焰离子检测器放电路结构图；
图2是光电极化电压氢火焰离子检测器平方根放大电路结构图；
图3是光电极化电压氢火焰离子检测器平方根放大电器整体结构图；
图4是光电极化电压氢火焰离子检测器平方根放大电器的电路板整体结构图；
图5是光电极化电压氢火焰离子检测器平方根放大电路图；
图6是光电极化电压部分电路图；
图7是平方根放大部分电路图；
图8是平方根放大部分分析公式用电路原理图；
其中，1-数据转换板；2-屏蔽壳；3-信号输入端；4-光电极化电压平方根放大电路板；5-屏蔽盖。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
图2为本发明光电极化电压平方根放大电路的结构，包括光电极化电压电路和平方根放大电路。光电极化电压电路采用光电转换方式产生极化电压，光电转换采用光电二极管串联方式达到高压微电流，产生的高压电场作用于火焰形成离子流被平方根放大电路放大。
图3为光电极化电压平方根放大电器整体结构示意图，包括数据转换板1、屏蔽壳2、信号输入端3、光电极化电压平方根放大电路板4和屏蔽盖5。光电极化电压平方根放大电路板4上集成了光电极化电压平方根放大电路。光电极化电压平方根放大电路板4置于由屏蔽壳2和屏蔽盖5组成的屏蔽空间内；数据转换板1置于屏蔽壳2正上方；数据转换板1的四个角、屏蔽壳2的四个角以及屏蔽盖5的四个角对齐放置，通过螺母紧密连接；信号输入端3通过2个螺母连接在屏蔽壳2一侧，最终组成放大电器。
图4给出了光电极化电压平方根放大电路板4的整体结构示意图，光电极化电压平方根放大电路集成在光电极化电压平方根放大电路板4上，图5是光电极化电压平方根放大电路的电路图，包括光电极化电压部分和平方根放大部分，光电极化电压部分一端连接BNC接口，BNC接口再接地，另一端连接平方根放大部分，具体连接方式如图5。光电极化电压生成电路设计在平方根放大电路的输入端。极化电压由光电方式产生，光电转换方式采用多级串联，发光部分与电压产生的光电二极管隔离。
光电极化电压部分的电路如图6所示，由发光二极管和光电二极管阵列组成的八个隔离光电转换芯片VO1263AAC光电芯片依次串联组成。八个VO1263AAC光电芯片串联组成的光电转换极化电压可达200V，完全满足氢火焰离子检测器高压电场要求。
平方根放大电路部分如图7所示，由精密匹配的四个NPN三极管芯片MAT14 Q1A、Q1B、Q1C、Q1D和微电流运算放大器ADA4530-1 U2和两个低噪声放大器OPA2277 IC1A、IC1B组成，平方根放大电路输入端通过第四电阻与极化电压电路的电压输出端直接连接。具体来说，平方根放大电路由对数放大器与指数放大器组成，对数放大器主要由OPA2277 IC1A低噪声放大器、ADA4530-1 U2微电流运算放大器、NPN三极管Q1A、Q1B及电容、电阻组成，指数放大器主要由NPN三极管Q1C、Q1D、OPA2277 IC1B低噪声放大器及电容、电阻组成。
平方根放大电路的对数和指数电路采用严格匹配的NPN三极管设计，可有效的消除温度对放大电路的影响，证明如下。
根据三极管的特性：
VBE是基极发射极电压，VT是热电压，即
K是波尔兹曼常数，K＝1.381×10-23，T是绝对温度值；q是电子电荷量，q＝1.602×10-19；IC是集电极电流；IS是反向饱和电流。为了便于分析，在图8相应位置做了标记，由图8对应标记可得出，
VBE1+VBE2＝VBE3+VBE4，所以
电路中芯片MAT14内置的四个三极管Q1A、Q1B、Q1C、Q1D为匹配管，所以VT1＝VT2＝VT3＝VT4，IS1＝IS2＝IS3＝IS4；由于IC3＝IC4＝Iout，所以
得出IC1×IC2＝Iout 2，即
由于
IC2＝I2，
所以
可以得出电路的输出电压值是输入电流的平方根乘以常量。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种光电极化电压平方根放大电路，其特征在于，包括光电极化电压电路和平方根放大电路；
光电极化电压电路由八个隔离光电转换芯片依次串联组成；
平方根放大电路由四个配对的NPN三极管芯片、两个低噪声放大器、一个微电流运算放大器及电容、电阻连接组成，输入端与光电极化电压电路的电压输出端直接连接。
2.根据权利要求1所述的一种光电极化电压平方根放大电路，其特征在于，所述光电转换芯片型号为VO1263AAC，由发光二极管和光电二极管阵列组成；极化电压由光电方式产生，光电转换方式采用多级串联，发光部分与电压产生的光电二极管隔离，光电转换极化电压达200V。
3.根据权利要求1所述的一种光电极化电压平方根放大电路，其特征在于，所述低噪声放大器型号为OPA2277，微电流运算放大器型号为ADA4530-1，NPN三极管芯片型号为MAT14。
4.一种光电极化电压平方根放大电器，其特征在于，包括光电极化电压平方根放大电路板、数据转换板、屏蔽壳、信号输入端和屏蔽盖，光电极化电压平方根放大电路板上集成了如权利要求1至3中任一项所述的光电极化电压平方根放大电路。
5.根据权利要求4所述的一种光电极化电压平方根放大电器，其特征在于，光电极化电压平方根放大电路板置于由屏蔽壳和屏蔽盖组成的屏蔽空间内；数据转换板置于屏蔽壳正上方；数据转换板的四个角、屏蔽壳的四个角以及屏蔽盖的四个角对齐放置，通过螺母紧密连接；信号输入端通过2个螺母连接在屏蔽壳一侧。
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