CN201181220Y - 一种空间用微电流放大器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种微电流放大器，包括多路具有不同增益的微电流放大支路和与之连接的多路电子开关，所述微电流放大支路包括依次连接的光电探测器、匹配电阻和电流－电压转换电路。部分所述微电流放大支路还包括直流放大器，该直流放大器的输入端与所述电流－电压转换电路的输出端连接。本实用新型具有干扰低、电路可靠性高，能够在大量程范围内测量快速变化的微弱信号等优点。

Description

一种空间用微电流放大器
技术领域
本实用新型涉及探测信号放大器，具体地说，本实用新型涉及一种空间用微电流放大器。
背景技术
微电流放大器用于放大电流输出型光电探测器的信号。目前微电流放大器通常采用电流-电压转换器，用改变反馈电阻的方法增大其量程，如图1所示(见参考文献：岛津气相色谱FID微电流放大器及极化电压源线路板的剖析，国外分析仪器技术及应用，1992年，第1期，p36-39)。这一方法的主要缺点是由于不同反馈电阻微电流放大器的建立和稳定需要一定时间，不适用于探测信号在大量程范围内快速变化的情况。
增大微电流放大器量程的另一方法是采用多路不同增益的电流-电压转换器，用转换开关选取一路与光电倍增管连接，对不同量程的输入信号，选取不同增益的电流-电压转换器，达到扩大量程范围的目的，如图2所示见参考文献：Versatile Plasma Probe，Rev.Sci.Instrum.，1975，46(5)，p592-598)。这一方法的主要缺点是在微电流放大器的输入端使用转换开关，较易引入干扰、并降低了电路的可靠性；此外，各路电流-电压转换器从开路到稳定工作仍需一定的稳定时间。并且在上述两种方法中，为获得大的放大器量程，测量更微弱的信号，需增大电流-电压转换器的反馈电阻，这将进一步限制了微电流放大器的带宽，因此它也不适用于测量快速变化的微弱信号。
发明内容
因此，本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种抗干扰能力较强、电路可靠性高，并且能够在大量程范围内测量快速变化的微弱信号的空间用微电流放大器。
为实现上述发明目的，本实用新型提供的空间用微电流放大器包括多路具有不同增益的微电流放大支路和与之连接的多路电子开关，所述微电流放大支路包括依次连接的光电探测器、匹配电阻和电流-电压转换电路。
上述技术方案中，所述匹配电阻阻值比光电探测器的输出阻抗至少小两个量级。
上述技术方案中，所述匹配电阻阻值比电流-电压转换电路的输入阻抗至少大两个量级。
上述技术方案中，所述不同微电流放大支路的电流-电压转换电路具有不同的反馈电阻。
上述技术方案中，部分所述微电流放大支路还包括直流放大器，该直流放大器的输入端与所述电流-电压转换电路的输出端连接。
上述技术方案中，所述微电流放大支路还包括电压跟随器，所述电压跟随器连接在所述微电流放大支路的输出端。
上述技术方案中，所述多路电子开关与各微电流放大支路的电压跟随器的输出端连接。
上述技术方案中，所述电流-电压转换器包括运算放大器芯片，该运算放大器芯片的增益带宽比所述微电流放大器的设计带宽至少大两个量级，并且该运算放大器芯片的偏流和失调电压比运算放大器所要测量的电流和运算放大器的输出电压至少小两个量级。
上述技术方案中，所述匹配电阻和反馈电阻均采用温度系数应小于50ppm/℃的金属膜电阻。
上述技术方案中，所述电子开关还连接计算单元，该计算单元用于为所述电子开关提供地址码以决定选通哪一路微电流放大支路。
本实用新型相对于现有技术具有如下技术效果：
本实用新型的各电流-电压转换器通过匹配电阻与光电探测器连接，同时对光电探测器的输出信号进行放大，消除了放大器建立和稳定所需要的时间和利用转换开关可能引起的干扰，提高了电路的可靠性。
本实用新型采用电流-电压转换器和直流放大器相结合的放大方式，减小了电路分布电容的影响，在加大微电流放大器量程的同时，也提高了放大器的带宽；减小了反馈电阻的阻值，有利于改善电路的温度系数。同时本实用新型在信号得到适当放大后，再由电子开关选取一路输出，减小了对测量信号的干扰。
本实用新型由单片机判断所测电流的大小，并给出电子开关地址码，控制电子开关对信号的选取，实现了探测的自动化。
本实用新型适用于探测微弱信号在大量程范围内快速变化的场合，特别是卫星遥感探测的情况，如紫外波段后向散射辐射的卫星测量。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施例，其中：
图1是调节反馈电阻的微电流放大器的原理示意图；
图2是一种多路选择的微电流放大器的原理示意图；
图3是本实用新型一个实施例中的快速宽量程微电流放大器的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地描述。
如图3所示，本实施例包括光电探测器1、匹配电阻R1、R2、电流-电压转换电路(本实施例中主要由运算放大器和反馈电阻组成)、电压跟随器组件2、直流放大器，电子开关3、AD采集电路4和单片机5。
光电探测器1的微电流输出经匹配电阻R1供给一路电流-电压转换电路，经匹配电阻R2供给另-路电流-电压转换电路。光电探测器1可采用光电倍增管或其它电流源的光电探测器，本实施例采用R7111-01光电倍增管。对微电流而言，光电倍增管具有高增益、快速、宽量程和线性度好的特点，是紫外、可见光波段典型的电流输出型光电探测器。匹配电阻R1、R2选取温度系数小于50ppm/℃的金属膜电阻，其电阻值应比光电探测器的输出阻抗至少小两个量级，并比电流-电压转换电路的输入阻抗至少大两个量级，这样可以保证光电探测器1的输出特性不变，并使得两路电流-电压转换器间能够有效隔离。对光电倍增管探测器，匹配电阻在几百千欧姆到几兆欧姆间选取，并选取R1和R2的电阻值相等。
为保证电流-电压转换器具有良好的线性，电流-电压转换器所采用的运算放大器芯片的增益带宽应比微电流放大器带宽至少大两个量级，而偏流和失调电压也应比测量电流和输出电压至少小两个量级。本实施例中，电流-电压转换电路包括两个独立的电流-电压转换器，它们分别由运算放大器A1、反馈电阻R3和运算放大器A2、反馈电阻R4组成。其运算放大器A1、A2均采用OP17运算放大器，电路形式相同，但反馈电阻R3、R4不同。OP17运算放大器的增益带宽高达30MHz、偏流小于15pA、失调电压小于0.2mV，保证了微电流放大器1kHz的带宽。反馈电阻根据对电流-电压转换器放大倍数的设计要求选取，本实施例选取的两个独立的电流-电压转换器的放大倍数相差5倍，反馈电阻R3取为2MΩ，而反馈电阻R5取为10MΩ。为保证放大器具有低的温度系数，反馈电阻采用金属膜电阻、温度系数应小于50ppm/℃。
电流-电压转换电路将光电探测器1输出的微电流信号转换为电压后，一路电流-电压转换器的输出经电压跟随器组件2直接供给电子开关3，另一路的输出在经电压跟随器组件2供给电子开关3的同时，也供给直流放大器将电流-电压转换器的输出电压信号进一步放大后，再经电压跟随器组件2供给电子开关3。本实施例中，为提高微电流放大器的带宽，适应快速变化信号的测量能力，微电流放大器采用了电流-电压转换器和直流放大器相结合的放大方式。即放大倍数小的各路电流-电压转换器的输出电压经过电压跟随器后直接供给电子开关；而放大倍数最大的一路电流-电压转换器的输出电压在经过电压跟随器供给电子开关的同时，也供给直流放大器将电流-电压转换器输出的电压信号进一步放大后，再经电压跟随器供给电子开关。这样减小了电流-电压转换器的反馈电阻阻值，增大了微电流放大器带宽。有利于在增大微电流放大器量程的同时，提高微电流放大器的带宽。如当电流-电压转换器的反馈电阻为100MΩ时，为使放大器的带宽达到1kHz，要求分布电容小于1.5pF，这在实际中是较难达到的；而采用10倍的直流放大器与电流-电压转换器相配合，电流-电压转换器的反馈电阻阻值仅需10MΩ，这将大大降低了对电路分布电容的要求，从而提高了微电流放大器的带宽。
本实施例的直流放大器由运算放大器A3和电阻R5、R6组成。为保证整个电路的动态范围，直流放大器应具有适当的放大倍数，但放大倍数不能太大，以保证直流放大器有较小的零点漂移；在本电路中取为10倍。为保证放大器的温度稳定性电阻R5、R6采用金属膜电阻、温度系数应小于50ppm/℃，其阻值的选取保证直流放大器放大倍数的实现。为减小直流放大器的漂移，运算放大器A3采用OP17运算放大器。
电压跟随器组件2由三个独立的电压跟随器组成，每个电压跟随器均采用LM158运算放大器构成。电压跟随器主要起信号隔离的作用，避免前后级信号间的干扰。电压跟随器组件2的三路电压输出经电子开关3选取后，仅一路供给AD采集电路4进行模数转换。电子开关3采用ADG509芯片，该芯片可对四路输入电压根据地址码选取一路输出，在本例中仅使用其中三路。电压跟随器组件2的R7-R9电阻选用10kΩ的电阻。
电子开关3对电压跟随器组件2输出的三路电压信号的选取由单片机5提供的地址码控制。单片机5提供地址码的原则是使输出到AD采集电路4的电压信号既不饱和、又具有一定的放大倍数。
当采用R7111-01光电倍增管时，本微电流放大器可用于测量1kHz的快速变化信号，测量最小电流信号为2×10-4μA，动态范围5×104，且在-10℃---+40℃的温度变化范围内，增益的变化＜0.5％。
本实用新型中的各匹配电阻阻值，一般选取相同为宜。本实用新型的光电探测器通过匹配电阻与电流-电压转换器的连接方式，避免使用转换开关，各电流-电压转换器同时工作，消除了放大器建立和稳定所需要的时间和利用转换开关可能引起的干扰，提高了电路的可靠性。
本实施例提供了一种3路微电流放大器，但本实用新型并不限定为3路，容易理解，根据本实用新型的构思可以得出多路微电流放大器。
本实用新型的光电探测器还可采用其它类型的电流输出型探测器，如光电管等。

Claims (9)

1.一种空间用微电流放大器，包括多路具有不同增益的微电流放大支路和与之连接的多路电子开关，所述微电流放大支路包括依次连接的光电探测器、匹配电阻和电流-电压转换电路。
2.根据权利要求1所述的微电流放大器，其特征在于，所述匹配电阻阻值比光电探测器的输出阻抗至少小两个量级；并且所述匹配电阻阻值比电流-电压转换电路的输入阻抗至少大两个量级。
3.根据权利要求1所述的微电流放大器，其特征在于，所述不同微电流放大支路的电流-电压转换电路具有不同的反馈电阻。
4.根据权利要求1所述的微电流放大器，其特征在于，部分所述微电流放大支路还包括直流放大器，该直流放大器的输入端与所述电流-电压转换电路的输出端连接。
5.根据权利要求1或4所述的微电流放大器，其特征在于，所述微电流放大支路还包括电压跟随器，所述电压跟随器连接在所述微电流放大支路的输出端。
6.根据权利要求5所述的微电流放大器，其特征在于，所述多路电子开关与各微电流放大支路的电压跟随器的输出端连接。
7.根据权利要求1所述的微电流放大器，其特征在于，所述电流-电压转换器包括运算放大器芯片，该运算放大器芯片的增益带宽比所述微电流放大器的设计带宽至少大两个量级。
8.根据权利要求3所述的微电流放大器，其特征在于，所述匹配电阻和反馈电阻均采用温度系数应小于50ppm/℃的金属膜电阻。
9.根据权利要求1所述的微电流放大器，其特征在于，所述电子开关还连接计算单元，该计算单元用于为所述电子开关提供地址码以决定选通哪一路微电流放大支路。
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