CN114189217B - 高增益脉冲电流放大电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高增益脉冲电流放大电路，所述高增益脉冲电流放大电路包括：信号放大单元及第一反馈电路；所述第一反馈电路的输入端与所述信号放大单元的输出端连接，所述第一反馈电路的输出端与所述信号放大单元的输入端连接；所述第一反馈电路包括第一电容和第一可变电阻，所述第一可变电阻的第一端接地，所述第一可变电阻的第二端接所述第一反馈电路的输出端，所述第一可变电阻的调节端与所述第一电容连接，且所述第一可变电阻的调节端到所述第一反馈电路的输出端之间的电阻值大于0；当第一反馈电路的输入端输入的信号频率小于预定的值时，通过调节所述第一可变电阻以改变所述第一反馈电路所形成的等效电容的大小。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器领域，尤其涉及一种高增益脉冲电流放大电路。
背景技术
在离子迁移谱、红外光谱、质谱等中高端分析仪器中，需要对微弱脉冲电流信号(nA、pA级)进行放大，测量其中微弱电流信号是整个检测过程的关键。当微弱电流信号越小时，需要设计的前置高增益脉冲电流放大电路的增益就越高，增益往往动辄就≥108V/A，所选择的反馈电阻往往也不小于100MΩ。然而，当电路的增益越高时，电路寄生电容(一般在数十fF～数百fF)会显著影响高增益脉冲电流放大电路的带宽一致性，且带宽差异太大时，噪声的差异性也显著增加。虽然PCB布线较好时，可将寄生电容控制在0.1pF以下，但是其随机性仍然较大，解决的办法之一就是增加零点几pF的反馈电容，但是由于该电容值太小，目前该范围内的电容制造精度仅能控制在±0.1pF左右。以0.2pF的电容为例，其B级精度(最优精度)误差在±0.1pF，其容值范围为0.1pF～0.3pF，采用该电容后，电路带宽偏差可达到300％，难以应用在精密测量场合。另一方面，对于测量瞬时的电流脉动信号而言，往往希望待测量的频率范围内增益大一些，其他频率范围内的增益低一些，以降低电路的整体的噪声，从而提升信噪比。
发明内容
本发明的目的在于，本发明实施例提供一种高增益脉冲电流放大电路，旨在有效解决现有由于容量较小的电容精度偏低，导致高增益脉冲电流放大电路的带宽偏差较大的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种放电装置，包括：信号放大单元及第一反馈电路；所述第一反馈电路的输入端与所述信号放大单元的输出端连接，所述第一反馈电路的输出端与所述信号放大单元的输入端连接；所述第一反馈电路包括第一电容和第一可变电阻，所述第一可变电阻的第一端接地，所述第一可变电阻的第二端接所述第一反馈电路的输出端，所述第一可变电阻的调节端与所述第一电容连接，且所述第一可变电阻的调节端到所述第一反馈电路的输出端之间的电阻值大于0；其中，所述第一可变电阻用于在所述第一反馈电路的输入端输入的信号频率小于预定的值时接受外部调节以改变所述第一反馈电路所形成的等效电容的大小。
进一步地，高增益脉冲电流放大电路还包括：第二反馈电路；所述第二反馈电路的输入端与所述信号放大单元的输出端连接，所述第二反馈电路的输出端与所述信号放大单元的输入端连接；所述第二反馈电路包括第二电阻、第二电容及第二可变电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第二反馈电路的输出端，所述第二电阻的第二端连接与所述第二电容的第一端和第二可变电阻的第一端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二可变电阻的第二端和调节端连接所述第二反馈电路的输入端；通过调节所述第二可变电阻以改变。
进一步地，信号放大单元包括：输入电路，所述输入电路包括：第一开关管、第二开关管、第三电阻、第四电阻和第五电阻；其中，所述第一开关管的控制端连接控制电信号，第二开关管的控制端连接地，所述第一开关管和所述第二开关管的漏极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端连接正电源，所述第一开关管的源极第四电阻的第一端，所述第二开关管的源极连接第五电阻的第一端，所述四电阻和第五电阻的第二端连接负电源。
进一步地，信号放大单元包括：信号高增益脉冲电流放大电路，所述信号高增益脉冲电流放大电路包括：第一放大器、第三电容、第四电容、第六电阻和第七电阻；所述第一放大器的两个输入端分别连接第四电阻和第五电阻的第一端；所述第三电容和第六电阻形成滤波电路对输入所述第一放大器的正电源进行滤波；所述第四电容和第七电阻形成滤波电路对输出所述第一放大器的负电源进行滤波。
进一步地，所述高增益脉冲电流放大电路还包括滤波电路；所述滤波电路包括：第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二放大器、第五电容和第六电容；所述第八电阻的第一端与所述第一放大器的输出端连接，所述第八电阻的第二端与所述第九电阻的第一端连接并经过第六电容连接至地，所述第二放大器的两个输入端分别连接所述第九电阻的第二端和地，所述第九电阻的第二端连接第五电容的第一端，所述第五电容的第二端和第十电阻的第二端并联且与所述第二放大器的输出端连接。
进一步地，所述第一反馈电路还包括第十一电阻，所述第十一电阻的第一端连接所述第一可变电阻的第二端，以使所述第十一电阻的第二端连接所述第一反馈电路的输入端。
进一步地，所述第二反馈电路还包括第十二电阻，所述第二电容通过所述第十二电阻与所述第二可变电阻的第一端连接。
进一步地，所述高增益脉冲电流放大电路还包括第七电容，所述第七电容与所述信号放大单元的输入端连接。
进一步地，所述第四电阻和所述第五电阻的电阻值相同。
进一步地，所述滤波电路的截止频率不大于10kHz。
本发明的优点在于，本发明的第一反馈电路采用一个可变电阻，通过电路连接的调整，使得在频率小于预定值时，通过条件可变电阻的阻值，以改变第一反馈网络中等效电容的大小，该等效电容可以远小于电路中所设置的电容，因此可以有效解决高增益脉冲电流放大电路的带宽偏差较大的问题。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本发明实施例一提供的一种高增益脉冲电流放大电路的结构示意图。
图2为本发明实施例二提供的一种高增益脉冲电流放大电路的结构示意图。
图3为本发明实施例二提供的另一种高增益脉冲电流放大电路的结构示意图。
图4为本发明提供的第一反馈电路的结构示意图。
图5为本发明提供的第一反馈电路的等效电路的结构示意图。
图6为本发明提供的第一反馈电路的等效电路带入简化后的放大级的结构示意图。
图7为本发明提供的第二反馈电路的结构示意图。
图8为本发明提供的第二反馈电路的幅频响应图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，为本发明实施例一所提供的高增益脉冲电流放大电路的结构示意图。所述放电装置包括：信号放大单元及第一反馈电路。
示例性地，所述第一反馈电路的输入端与所述信号放大单元的输出端连接，所述第一反馈电路的输出端与所述信号放大单元的输入端连接。所述第一反馈电路包括第一电容和第一可变电阻，所述第一可变电阻的第一端接地，所述第一可变电阻的第二端接所述第一反馈电路的输出端，所述第一可变电阻的调节端与所述第一电容连接，且所述第一可变电阻的调节端到所述第一反馈电路的输出端之间的电阻值大于0。其中，所述第一可变电阻用于在所述第一反馈电路的输入端输入的信号频率小于预定的值时接受外部调节以改变所述第一反馈电路所形成的等效电容的大小。
实施例一通过第一反馈电路采用一个可变电阻，通过电路连接的调整，使得在频率小于预定值时，通过条件可变电阻的阻值，以改变第一反馈网络中等效电容的大小，该等效电容可以远小于电路中所设置的电容，因此可以有效解决高增益脉冲电流放大电路的带宽偏差较大的问题。
如图2所示，为本发明实施例二所提供的高增益脉冲电流放大电路的结构示意图。在实施例一的基础上，所述放电装置包括：第七电容、信号放大单元、第一反馈电路、第二反馈电路和滤波电路。
以下详细描述信号放大单元，信号放大单元包括输入电路和信号高增益脉冲电流放大电路。
输入电路由第一开关管T1、第二开关管T2及附属第三电阻R1、第四电阻R2、第五电阻R3组成，形成全差分共漏高增益脉冲电流放大电路拓扑结构。其中，第一开关管T1的栅极连接输入微弱电流信号Iin和用于整个电路测试的测试信号注入第七电容C1一端，第七电容C1的另一端连接可连接注入信号Ut，第二开关管T2的栅极接地；第一开关管T1和第二开关管T2的漏级短路连接后与第三电阻R1连接，第三电阻R1用于限制第一开关管T1、第二开关管T2的静态工作电流，取值可在1kΩ～10kΩ之间，第三电阻R1的另一端连接正电源VCC。第一开关管T1的漏级连接第一放大器A1的反相输入端2和第四电阻R2的一端，第二开关管T2的漏级连接第一放大器A1的同相输入端3和第五电阻R3的一端；第四电阻R2、第五电阻R3用于调整第一开关管T1、第二开关管T2的工作电流和偏置电压，取相同值，第四电阻R2、第五电阻R3的另一端短路连接后连接至负电源VEE。由于第一开关管T1、第二开关管T2及附属第三电阻R1、第四电阻R2、第五电阻R3处于输入级，对电路的综合性能有着直接影响，因此第一开关管T1、第二开关管T2应选择偏置电流≤10pA和输入阻抗≥100MΩ的，第三电阻R1、第四电阻R2、第五电阻R3需选择噪声低、温漂较小的线绕电阻或者金属膜电阻，以降低电阻自噪声对整个高增益脉冲电流放大电路的噪声影响。通过以上电路拓扑结构，输入电路增益满足，并将该公式记为公式(1)。
其中，gm为的放大参数，其与静态工作点关联，满足，并将该公式记为公式(2)。
在上式中，UGS(th)、IDO可通过相关的技术文件查出，UGS可根据配置电路计算出来，进而推导出gm，再结合根据公式(1)求出输入电路放大倍数。
信号高增益脉冲电流放大电路采用超低电压噪声谱密度(≤
5nV/Hz0.5@1kHz)的第一放大器A1，降低前置高增益脉冲电流放大电路的噪声，其反相输入端2连接第一开关管T1的源极，同相输入端3连接第二开关管T2的源极，输出端6连接至第一反馈电路、第二反馈电路和滤波电路的输入，正电源输入端7连接第六电阻R7和第三电容C4，第六电阻R7的另一端连接正电源VCC，第三电容C4的另一端连接电源地。负电源输入端4连接电阻第七电阻R8和第四电容C5，第七电阻R8的另一端连接负电源VEE，第四电容C5的另一端连接电源地。通过第六电阻R7和第三电容C4、第七电阻R8和第四电容C5组成的RC滤波电路可有效降低电源VCC和VEE的波动对电源的影响。该级放大倍数即为运算放大器的开环增益GA1。
输入电路和信号高增益脉冲电流放大电路组成整个高增益脉冲电流放大电路的放大级，其整体增益满足，并将该公式记为公式(3)。
高增益脉冲电流放大电路的反馈部分采用双反馈结构，分别为第一反馈电路和第二反馈电路。
所述第一反馈电路采用电阻第十一电阻R4、第一可变电阻RP1、电容第一电容C2组成T型网络结构，下面结合附图4，推导该反馈电路工作原理。附图4(a)为第一反馈电路，其中，第十一电阻R4为定值电阻，取值为1千欧～100千欧。第一可变电阻RP1为取值为数千欧的电位器。第一电容C2为1pF-100pF的精密低温漂电容。当第一可变电阻RP1滑动到具体位置后，可将第一可变电阻RP1看做RP1a与RP1b两部分，其中RP1a与RP1b之和等于RP1电阻值，将图4(a)也可变换为图4(b)，再令，并记为公式(4)
R'4＝R4+RP1b
可将图4(b)变换为图4(c)并将第一电容C2、RP1a接地端、R'4分别加上标号1、2、3，利用星三角电路转换，将电路等效转换为附图5所示的电路，且满足公式(5)
其中，Z12可以看成是电阻RP1a与电容[R'4/(RP1a+R'4)]第一电容C2串联。Z13可以看成是电阻R'4与电容[R'4/(RP1a+R'4)]第一电容C2第七电容C1串联。Z23可以看成是电阻RP1a、R'4、R'4×(极点RP1a第一电容C2s)的串联。
将变换后的等效反馈网络带入简化后的放大级，如附图6所示，可以看出Z12处于输入，Z23处于输出负载，Z13处于反馈回路中。在反馈回路中，Z13可以看成是电阻R'4与电容[R'4/(RP1a+R'4)]第一电容C2串联，当输入信号频率
时，电容起主要作用。当
时，电阻起主要作用。假设电容第一电容C2容值5pF，精度为C级(误差±0.25pF)，电阻R'4取20kΩ，RP1a取1kΩ，那么公式(6)
通过公式6可知，当f＜fL(33.4MHz)时，Z13可近似看做0.05第一电容C2，即0.24pF的电容，调节RP1a可改变等效电容大小。电容的误差也从±0.25pF降低为约±0.01pF，误差比例约±5％。而实际上如果直接用0.2pF且精度为B级(误差±0.1pF)的电容，其误差比例可达±50％。这就充分说明该反馈网络的优势，即可用一个精度为C级，批量制造工艺难度低、容值较的电容，等效出一个精度高于B级数倍且批量制造工艺难度大、容值仅为零点几pF的电容，进而使得该级电路带宽得到了拓展，带宽误差也从±50％降低为±5％。
所述第二反馈电路采用第二可变电阻RP2、电阻第十二电阻R6、电容第二电容C3、第二电阻R5组成T型网络结构，下面结合附图7，推导该T型网络结构工作原理。令Rx为第二可变电阻RP2、电阻第十二电阻R6之和，第二可变电阻RP2、电阻第十二电阻R6、电容第二电容C3、第二电阻R5(RCR)组成T型网络结构，图7(a)可转换为7(b)，再次利用星三角转换，可得公式(7)
上述变换后的等效反馈网络与第一反馈电路的等效图相似，Z12处于输入，Z23处于输出负载，Z13处于反馈回路中。其中，Z13为反馈回路，相当于第二电阻R5、Rx、电阻R5×RxC3s串联，一般取值第二电阻R5远大于Rx，则可忽略Rx。当输入信号频率
时，第二电阻R5起主要作用，当
时，R5×RxC3s将起主要作用。假定第二电阻R5＝1G，Rx＝0.2M，第二电容C3＝330pF，带入可得公式(8)
通过式8可知，当f＜fL(2.411kHz)时，Z13可近似看做第二电阻R5，即1G电阻。当f＞fL(2.411kHz)时，看做1G×6.6×10-5×2πf的电阻，其阻值＞1G，且越来越大。这就说明，第二反馈电路的作用实质就是在设定的频率点
范围内带宽增加了一个零点，使得频率点范围内的增益上扬，从而提升了整个电路在fL频率范围的动态响应性能，电路增益可达109V/A以上，调节第二可变电阻RP2大小可改变fL的位置，其幅频响应如附图8所示。
所述的滤波电路为输出级，由第二放大器A2、电阻第八电阻R9、第九电阻R10、第十电阻R11和电容第五电容C6、第六电容C7组成MFP型低通滤波电路，其截止频率一般不大于10kHz，截止频率满足公式(9)
若取第八电阻R9和第十电阻R11均为22k，第九电阻R10＝11k，第五电容C6＝1nF，第六电容C7＝3.9nF，其截止频率为公式(10)
实施例二通过第一反馈电路采用一个可变电阻，通过电路连接的调整，使得在频率小于预定值时，通过条件可变电阻的阻值，以改变第一反馈网络中等效电容的大小，该等效电容可以远小于电路中所设置的电容，因此可以有效解决高增益脉冲电流放大电路的带宽偏差较大的问题。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，包括：信号放大单元及第一反馈电路；
所述第一反馈电路的输入端与所述信号放大单元的输出端连接，所述第一反馈电路的输出端与所述信号放大单元的输入端连接；
所述第一反馈电路包括第一电容和第一可变电阻，所述第一可变电阻的第一端接地，所述第一可变电阻的第二端接所述第一反馈电路的输入端，所述第一可变电阻的调节端与所述第一电容连接，且所述第一可变电阻的调节端到所述第一反馈电路的输出端之间的电阻值大于0；
其中，所述第一可变电阻用于在所述第一反馈电路的输入端输入的信号频率小于预定的值时接受外部调节以改变所述第一反馈电路所形成的等效电容的大小。
2.根据权利要求1所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，还包括：第二反馈电路；
所述第二反馈电路的输入端与所述信号放大单元的输出端连接，所述第二反馈电路的输出端与所述信号放大单元的输入端连接；
所述第二反馈电路包括第二电阻、第二电容及第二可变电阻，所述第二电阻的第一端连接所述第二反馈电路的输出端，所述第二电阻的第二端连接与所述第二电容的第一端和第二可变电阻的第一端连接，所述第一电容的第二端接地，所述第二可变电阻的第二端和调节端连接所述第二反馈电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，信号放大单元包括：输入电路，所述输入电路包括：第一开关管、第二开关管、第三电阻、第四电阻和第五电阻；
其中，所述第一开关管的控制端连接控制电信号，第二开关管的控制端连接地，所述第一开关管和所述第二开关管的漏极与所述第三电阻的一端连接，所述第三电阻的另一端连接正电源，所述第一开关管的源极第四电阻的第一端，所述第二开关管的源极连接第五电阻的第一端，所述四电阻和第五电阻的第二端连接负电源。
4.根据权利要求3所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，信号放大单元包括：信号高增益脉冲电流放大电路，所述信号高增益脉冲电流放大电路包括：第一放大器、第三电容、第四电容、第六电阻和第七电阻；
所述第一放大器的两个输入端分别连接第四电阻和第五电阻的第一端；
所述第三电容和第六电阻形成滤波电路对输入所述第一放大器的正电源进行滤波；
所述第四电容和第七电阻形成滤波电路对输出所述第一放大器的负电源进行滤波。
5.根据权利要求4所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，还包括滤波电路；
所述滤波电路包括：第八电阻、第九电阻、第十电阻、第二放大器、第五电容和第六电容；
所述第八电阻的第一端与所述第一放大器的输出端连接，所述第八电阻的第二端与所述第九电阻的第一端连接并经过第六电容连接至地，所述第二放大器的两个输入端分别连接所述第九电阻的第二端和地，所述第九电阻的第二端连接第五电容的第一端，所述第五电容的第二端和第十电阻的第二端并联且与所述第二放大器的输出端连接。
6.根据权利要求1-5任一所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，所述第一反馈电路还包括第十一电阻，所述第十一电阻的第一端连接所述第一可变电阻的第二端，以使所述第十一电阻的第二端连接所述第一反馈电路的输入端。
7.根据权利要求2-5任一所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，所述第二反馈电路还包括第十二电阻，所述第二电容通过所述第十二电阻与所述第二可变电阻的第一端连接。
8.根据权利要求6所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，还包括第七电容，所述第七电容与所述信号放大单元的输入端连接。
9.根据权利要求3所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，所述第四电阻和所述第五电阻的电阻值相同。
10.根据权利要求5所述的高增益脉冲电流放大电路，其特征在于，所述滤波电路的截止频率不大于10kHz。
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