JPH05126636A - Infrared spectroscope - Google Patents

Infrared spectroscope

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JPH05126636A
JPH05126636A JP3285195A JP28519591A JPH05126636A JP H05126636 A JPH05126636 A JP H05126636A JP 3285195 A JP3285195 A JP 3285195A JP 28519591 A JP28519591 A JP 28519591A JP H05126636 A JPH05126636 A JP H05126636A
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infrared light
amplifier
infrared
feedback
amplifying
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Chihiro Kato
千尋 加藤
Hiroo Hamaguchi
宏夫 浜口
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Kanagawa Academy of Science and Technology
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Kanagawa Academy of Science and Technology
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Abstract

PURPOSE:To provide an infrared spectroscope having very low noises with a simple structure. CONSTITUTION:An infrared spectroscope 10 making spectral diffraction on the infrared light generated by an infrared light source S, an infrared detector receiving the infrared light to generate the electric signal, and an AC amplifier AMP 1 connected to the infrared detector are provided. The amplifier AMP 1 has multiple feedback amplifying circuits connected in parallel, it has the first amplification section synthesizing the outputs of these amplifying circuits via resistors and the second amplification section connected to the first amplification section, and the impedance of the second amplification section is set to the parallel resistance value or above of the resistors of the first amplification section.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、赤外分光装置に関
し、さらに詳しく言えば、例えば時間分解赤外分光法に
好適な高感度の赤外分光装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared spectroscopic device, and more particularly to a highly sensitive infrared spectroscopic device suitable for time-resolved infrared spectroscopy.

【0002】[0002]

【従来の技術】時間分解分光法は、寿命の短い分子種の
スペクトルを観測するために有効に利用されているが、
従来は主として紫外〜可視域の光を用いて行なわれて来
た。しかし、近年、輝度の高い赤外光源と高感度で時間
応答性の優れた赤外光検出器が開発されて来たため、赤
外光を用いて行なうことが多くなっている。それは、時
間分解赤外分光法に次のような利点があるからである。
2. Description of the Related Art Time-resolved spectroscopy has been used effectively for observing spectra of short-lived molecular species.
Conventionally, it has been performed mainly using light in the ultraviolet to visible range. However, in recent years, an infrared light source with high brightness and an infrared light detector with high sensitivity and excellent time response have been developed, and therefore infrared light is often used. This is because time-resolved infrared spectroscopy has the following advantages.

【0003】(1)赤外分光法で得られる振動(回転)
スペクトルは多くのバンドから構成されており、それを
与える分子種の分子構造や電子構造、存在状態などの変
化に対して非常に敏感である。そのため、紫外〜可視域
の分光法では区別し難い分子種どうしを容易に見分ける
ことができ、また分子構造や電子構造、存在状態などの
変化に関する豊富な情報を引き出すことができる。
(1) Vibration (rotation) obtained by infrared spectroscopy
The spectrum is composed of many bands, and is very sensitive to changes in the molecular structure, electronic structure, and existing state of the molecular species that give it. Therefore, it is possible to easily distinguish between molecular species that are difficult to distinguish by ultraviolet to visible spectroscopy, and it is possible to extract a wealth of information regarding changes in molecular structure, electronic structure, existing state, and the like.

【0004】(2)それぞれの振動(回転)準位ごと
に、その生成・緩和の動的過程を追跡できる。
(2) The dynamic process of generation / relaxation can be traced for each vibration (rotation) level.

【0005】(3)紫外〜可視域の吸収・発光スペクト
ルと異なり、ほぼすべての分子種が赤外吸収強度を有す
るため、中性分子かイオンか、基底状態か励起状態か、
あるいは溶質分子か溶媒分子かを問わず、ほとんどすべ
ての分子種に対して適用可能である。
(3) Unlike the absorption and emission spectra in the ultraviolet to visible region, almost all molecular species have infrared absorption intensities. Therefore, whether neutral molecules or ions, ground state or excited state,
Alternatively, it can be applied to almost all molecular species regardless of solute molecules or solvent molecules.

【0006】時間分解赤外分光法で分子種などのスペク
トルを観測する場合、通常、赤外光源としては例えばグ
ローバーやレーザーが用いられ、赤外光検出器としては
例えばMCT(水銀−カドミウム−テルル)検出器やI
nSb(インジウム−アンチモン)検出器が用いられ
る。赤外光検出器には、適当な直流バイアス電圧が印加
される。これらの赤外光検出器で得られた電気信号は、
増幅器で増幅された後、電気的なゲート回路に入力さ
れ、そこで時間分解した信号が取り出される。電気的な
ゲート回路としては、通常、ボックスカー積分器やディ
ジタルオシロスコープ(DSA)などが用いられる。
When observing the spectrum of molecular species by time-resolved infrared spectroscopy, a glow bar or a laser is usually used as an infrared light source, and an MCT (mercury-cadmium-tellurium) is used as an infrared light detector. ) Detector and I
An nSb (Indium-Antimony) detector is used. A suitable DC bias voltage is applied to the infrared light detector. The electrical signals obtained by these infrared photodetectors are
After being amplified by the amplifier, it is input to an electrical gate circuit, and the time-resolved signal is extracted there. A boxcar integrator, a digital oscilloscope (DSA) or the like is usually used as the electric gate circuit.

【0007】この種の電子計測では、検出器からの信号
が微弱である場合が多く、しかもこの信号を低雑音かつ
高安定に増幅することが要求される。図9および図10
に、この種計測に用いられている従来の増幅器を示す。
In this kind of electronic measurement, the signal from the detector is often weak, and it is required to amplify this signal with low noise and high stability. 9 and 10
Figure 1 shows a conventional amplifier used for this type of measurement.

【0008】図9は、この種計測に用いられる従来の増
幅器の回路構成の一例を示す回路図である。この従来の
増幅器51は、第1増幅部と第2増幅部とを備えた二段
増幅器としてある。
FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of the circuit configuration of a conventional amplifier used for this type of measurement. The conventional amplifier 51 is a two-stage amplifier including a first amplification section and a second amplification section.

【0009】第1増幅部は、n個の同じ帰還増幅回路を
並列に接続して構成してある。A1〜Anは演算増幅器、
RF1〜RFnおよびRS1〜RSnは帰還抵抗、R1〜Rnは演
算増幅器A1〜Anの出力を合成するための抵抗である。
各増幅回路の入力は共通で、入力信号は演算増幅器A1
〜Anにその+端子から入力される。演算増幅器A1〜A
nの−端子は、帰還抵抗RS1〜RSnを介して接地されて
いる。演算増幅器A1〜Anの出力の一部は、帰還抵抗R
F1〜RFnを介して演算増幅器A1〜Anの−端子に帰還さ
れる。各増幅回路の出力は、それぞれ抵抗R1〜Rnを介
して取り出され、合成されてから第2増幅部に送られ
る。
The first amplification section is composed of n same feedback amplification circuits connected in parallel. A1 to An are operational amplifiers,
RF1 to RFn and RS1 to RSn are feedback resistors, and R1 to Rn are resistors for combining the outputs of the operational amplifiers A1 to An.
The input of each amplifier circuit is common, and the input signal is the operational amplifier A1.
~ An is input from its + terminal. Operational amplifier A1 to A
The-terminal of n is grounded via the feedback resistors RS1 to RSn. A part of the outputs of the operational amplifiers A1 to An is connected to the feedback resistor R
It is fed back to the-terminals of the operational amplifiers A1 to An via F1 to RFn. The outputs of the amplifier circuits are taken out via the resistors R1 to Rn, combined, and then sent to the second amplifier section.

【0010】第2増幅部は、演算増幅器Aaと帰還抵抗
RFaを有する1個の帰還増幅回路から構成してある。第
1増幅部のn個の増幅回路の出力を合成して得た出力
は、演算増幅器Aaにその−端子から入力される。演算
増幅器Aaの+端子は、接地されている。演算増幅器Aa
の出力の一部は、帰還抵抗RFaを介して演算増幅器Aa
の−端子に帰還される。
The second amplifier section is composed of one feedback amplifier circuit having an operational amplifier Aa and a feedback resistor RFa. The output obtained by combining the outputs of the n amplifier circuits of the first amplifier section is input to the operational amplifier Aa from its negative terminal. The + terminal of the operational amplifier Aa is grounded. Operational amplifier Aa
A part of the output of the operational amplifier Aa is fed back via the feedback resistor RFa.
Is fed back to the-terminal.

【0011】上記従来の増幅器51では、入力端子から
信号が入力されると、その信号は第1増幅部のn個の帰
還増幅回路に入力され、増幅される。それら増幅回路の
出力は、それぞれ抵抗R1〜Rnを介して取り出され、合
成されて第2増幅部の演算増幅器Aaに入力される。演
算増幅器Aaに入力された信号は、増幅されて出力端子
に送られる。
In the conventional amplifier 51, when a signal is input from the input terminal, the signal is input to the n feedback amplification circuits of the first amplification section and amplified. The outputs of the amplifier circuits are taken out through the resistors R1 to Rn, respectively, combined, and input to the operational amplifier Aa of the second amplifier section. The signal input to the operational amplifier Aa is amplified and sent to the output terminal.

【0012】第1増幅部では、各増幅回路の合成出力の
信号成分は各増幅回路単独のそれと同じ大きさである
が、その合成出力に含まれている雑音成分は各増幅回路
の持つ雑音の1/n1/2となる。したがって、上記従来
の増幅器51では、第1増幅部の雑音が1/n1/2に低
減され、S/Nが改善される。
In the first amplifying section, the signal component of the combined output of each amplifying circuit has the same magnitude as that of each amplifying circuit alone, but the noise component contained in the combined output is the noise of each amplifying circuit. It becomes 1 / n 1/2 . Therefore, in the above conventional amplifier 51, the noise of the first amplifying section is reduced to 1 / n 1/2 and the S / N is improved.

【0013】図10は、この種計測に用いられる従来の
他の増幅器の回路構成の一例を示す回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram showing an example of the circuit configuration of another conventional amplifier used for this type of measurement.

【0014】図10の従来の増幅器61は、エミッタ接
地の2個のトランジスタQ1、Q2を用いた2段構成とし
てある。信号は、コンデンサC1を介して第1段のトラ
ンジスタQ1のベースに入力され、出力は、コンデンサ
C2を介して第2段のトランジスタQ2のコレクタから取
り出される。動作の安定性を増すため、帰還抵抗RFを
介して、第2段のトランジスタQ2のエミッタから第1
段のトランジスタQ1のベースに負帰還がかけてある。
RCはトランジスタQ1のコレクタ抵抗、REはトランジ
スタQ2のエミッタ抵抗、R1はトランジスタQ2のコレ
クタ抵抗である。
The conventional amplifier 61 shown in FIG. 10 has a two-stage structure using two transistors Q1 and Q2 whose emitters are grounded. The signal is input to the base of the transistor Q1 of the first stage via the capacitor C1, and the output is taken out from the collector of the transistor Q2 of the second stage via the capacitor C2. In order to increase the stability of the operation, the first resistor from the emitter of the second-stage transistor Q2 is fed through the feedback resistor RF.
Negative feedback is applied to the base of the transistor Q1 of the stage.
RC is the collector resistance of the transistor Q1, RE is the emitter resistance of the transistor Q2, and R1 is the collector resistance of the transistor Q2.

【0015】一般に、増幅器の入力インピーダンスを信
号源抵抗(例えば50Ω)に整合させるには、増幅器の
入力端子に信号源抵抗に等しい抵抗値を持つ整合用抵抗
を並列に接続すればよい。しかし、そうすると、その整
合用抵抗が新たな雑音源となるため、雑音が増加する。
そこで、整合用抵抗を使用せずに入力インピーダンスを
整合させることが望まれる。
Generally, in order to match the input impedance of the amplifier with the signal source resistance (for example, 50Ω), a matching resistor having a resistance value equal to the signal source resistance may be connected in parallel to the input terminal of the amplifier. However, this increases the noise because the matching resistor becomes a new noise source.
Therefore, it is desired to match the input impedance without using the matching resistor.

【0016】この従来の増幅器61は、雑音源となる整
合用抵抗を使用せずに、負帰還により入力インピーダン
スの整合を等価的に実現したものである。こうすること
により、入力端子に抵抗を接続する必要がなくなるた
め、低雑音で増幅することが可能となる。
The conventional amplifier 61 equivalently realizes the matching of the input impedance by the negative feedback without using the matching resistor as the noise source. By doing so, it is not necessary to connect a resistor to the input terminal, and it is possible to perform amplification with low noise.

【0017】なお、コレクタ抵抗RCは例えば2.2k
Ω、エミッタ抵抗REは例えば200Ω、コレクタ抵抗
R1は例えば360Ω、帰還抵抗RFは例えば2.2k
Ω、コンデンサC1は例えば2000pF、コンデンサ
C2は例えば10000pFである。
The collector resistance RC is, for example, 2.2 k.
Ω, the emitter resistance RE is 200Ω, the collector resistance R1 is 360Ω, and the feedback resistance RF is 2.2k, for example.
Ω, the capacitor C1 is, for example, 2000 pF, and the capacitor C2 is, for example, 10,000 pF.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の増幅器51
において、第1増幅部の各増幅回路の低雑音化に直接的
に影響があるのは、帰還抵抗RF1〜RFnおよびRS1〜R
Snであり、それらの抵抗値をできるだけ小さく設定する
のが好ましい。しかし、上記従来の増幅器51では、第
2増幅部の−端子は仮想接地とみなされるため、各演算
増幅器A1〜Anは帰還抵抗RF1〜RFnおよびRS1〜RSn
だけでなく、抵抗R1〜Rnをも駆動する必要がある。こ
のため、帰還抵抗RF1〜RFnおよびRS1〜RSnの抵抗値
を低く設定することが困難であり、低雑音化に限界があ
るという問題がある。
The conventional amplifier 51 described above is used.
In the above, the feedback resistances RF1 to RFn and RS1 to R directly affect the noise reduction of each amplifier circuit of the first amplifier.
It is Sn, and it is preferable to set their resistance values as small as possible. However, in the above conventional amplifier 51, the negative terminal of the second amplifying section is regarded as virtual ground, so that the operational amplifiers A1 to An have feedback resistors RF1 to RFn and RS1 to RSn.
Not only this, it is necessary to drive the resistors R1 to Rn. Therefore, it is difficult to set the resistance values of the feedback resistors RF1 to RFn and RS1 to RSn to be low, and there is a problem in that noise reduction is limited.

【0019】他方、上記従来の増幅器61では、トラン
ジスタQ1、Q2の温度依存性により、周囲温度が変動す
ると利得や入力インピーダンスが変動するため、高安定
な増幅を行なうことが困難であるという問題がある。
On the other hand, in the above conventional amplifier 61, the gain and the input impedance fluctuate when the ambient temperature fluctuates due to the temperature dependence of the transistors Q1 and Q2, which makes it difficult to perform highly stable amplification. is there.

【0020】したがって、上記従来の増幅器51、61
を用いて赤外分光法を行なっても、検出感度の面で不十
分なため、例えば時間分解赤外スペクトルや赤外吸収強
度の時間変化がS/N比良く得られないという問題があ
る。
Therefore, the conventional amplifiers 51 and 61 described above are used.
Even if infrared spectroscopy is carried out using, the detection sensitivity is insufficient, so that there is a problem that, for example, a time-resolved infrared spectrum or a temporal change in infrared absorption intensity cannot be obtained with a good S / N ratio.

【0021】そこで、この発明の目的は、簡単な構成で
極めて低雑音の赤外分光装置を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide an infrared spectroscope having a simple structure and extremely low noise.

【0022】この発明の他の目的は、周囲温度の変化に
対して動作が極めて安定な赤外分光装置を提供すること
にある。
Another object of the present invention is to provide an infrared spectroscope whose operation is extremely stable against changes in ambient temperature.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】この発明の第1の赤外分
光装置は、赤外光源と、前記赤外光源により発生された
赤外光を分光する赤外分光手段と、前記赤外光源により
発生された赤外光を受けてそれに応じた電気信号を発生
する赤外光検出手段と、前記赤外光検出手段に結合され
且つ前記赤外光検出手段で発生した電気信号を増幅する
増幅手段とを備えてなり、前記増幅手段が、互いに並列
に接続された複数の帰還増幅回路を有すると共にそれら
増幅回路の出力を抵抗を介して合成する第1増幅部と、
その第1増幅部に結合された第2増幅部とを備えてい
て、しかも前記第2増幅部の入力インピーダンスが、前
記第1増幅部の抵抗の並列抵抗値以上であることを特徴
とする。
A first infrared spectroscopic device of the present invention is an infrared light source, an infrared spectroscopic means for separating infrared light generated by the infrared light source, and the infrared light source. Infrared light detecting means for receiving the infrared light generated by the infrared light detecting means and generating an electric signal in accordance therewith; and amplification for amplifying the electric signal coupled to the infrared light detecting means and generated by the infrared light detecting means. A first amplifying unit that includes a plurality of feedback amplifying circuits connected in parallel with each other, and that combines the outputs of the amplifying circuits via resistors.
A second amplifying section coupled to the first amplifying section, and the input impedance of the second amplifying section is equal to or more than the parallel resistance value of the resistance of the first amplifying section.

【0024】この発明の第2の赤外分光装置は、赤外光
源と、前記赤外光源により発生された赤外光を分光する
赤外分光手段と、前記赤外光源により発生された赤外光
を受けてそれに応じた電気信号を発生する赤外光検出手
段と、前記赤外光検出手段に結合され且つ前記赤外光検
出手段で発生した電気信号を増幅する増幅手段とを備え
てなり、前記増幅手段が、負帰還により信号源抵抗との
入力インピーダンスの整合を実現しており、しかも、負
荷の両端の電圧を基準電圧に等しくなるように制御し且
つその基準電圧が周囲温度に応じて当該増幅手段の利得
の変化を打ち消すように変化する電圧制御手段と、交流
負帰還をかける交流負帰還手段と、直流負帰還をかける
直流負帰還手段とを有していて、前記交流負帰還手段お
よび直流負帰還手段が周囲温度に応じて変化する当該増
幅手段の利得の変化を打ち消すような温度係数を有して
いることを特徴とする。
A second infrared spectroscopic device of the present invention is an infrared light source, an infrared spectroscopic means for separating infrared light generated by the infrared light source, and an infrared light generated by the infrared light source. Infrared light detection means for receiving light and generating an electric signal corresponding thereto, and amplification means coupled to the infrared light detection means and amplifying the electric signal generated by the infrared light detection means The amplifying means realizes the matching of the input impedance with the resistance of the signal source by the negative feedback, and controls the voltage across the load to be equal to the reference voltage, and the reference voltage depends on the ambient temperature. And a negative voltage feedback means for changing the gain of the amplifying means so as to cancel the gain change, negative AC feedback means for negative AC feedback, and negative DC feedback means for negative DC feedback. Means and DC negative feedback There characterized in that it has a temperature coefficient for canceling the change in the gain of the amplifying means changes according to ambient temperature.

【0025】[0025]

【作用】この発明の第1の赤外分光装置では、増幅手段
の第1増幅部が、互いに並列に接続された複数の帰還増
幅回路を有すると共にそれら増幅回路の出力を抵抗を介
して合成する構成であるので、その合成出力に含まれる
雑音成分は各帰還増幅回路のそれに比べて少ない。
In the first infrared spectroscopic device of the present invention, the first amplifying section of the amplifying means has a plurality of feedback amplifying circuits connected in parallel with each other, and combines the outputs of these amplifying circuits via resistors. Because of the configuration, the noise component included in the combined output is smaller than that of each feedback amplifier circuit.

【0026】しかも、第2増幅部の入力インピーダンス
は並列に接続された第1増幅部の個数倍に見えるため、
その抵抗を通って第2増幅部に流れる電流は小さい、し
たがって、信号成分に対してはその抵抗を無視すること
ができるため、第1増幅部の各帰還増幅回路の帰還抵抗
の抵抗値を低く設定できる。そこで、各帰還増幅回路の
発生する雑音がいっそう低減される。
Moreover, since the input impedance of the second amplifying section looks as many times as the number of the first amplifying sections connected in parallel,
The current flowing through the second amplification unit through the resistance is small, and therefore, the resistance can be ignored for the signal component, so that the resistance value of the feedback resistance of each feedback amplification circuit of the first amplification unit is low. Can be set. Therefore, the noise generated by each feedback amplifier circuit is further reduced.

【0027】よって、従来よりいっそう優れた低雑音増
幅が可能となる。
Therefore, it is possible to further improve the low noise amplification.

【0028】この発明の第2の赤外分光装置では、増幅
手段が負帰還により信号源抵抗との入力インピーダンス
の整合を実現しているので、インピーダンス整合用抵抗
を接続する場合に比べて発生する雑音が少ない。
In the second infrared spectroscopic device of the present invention, since the amplifying means realizes the matching of the input impedance with the signal source resistance by negative feedback, this occurs as compared with the case of connecting the impedance matching resistance. There is little noise.

【0029】しかも、周囲温度が変化すると、それに応
じて電圧制御手段の基準電圧が増幅手段の利得の変化を
打ち消すように変化し、また、交流負帰還手段と直流負
帰還手段が、増幅手段の利得の変化を打ち消すように変
化するので、周囲温度の変化に対して非常に安定であ
る。
Moreover, when the ambient temperature changes, the reference voltage of the voltage control means changes correspondingly so as to cancel the change of the gain of the amplification means, and the AC negative feedback means and the DC negative feedback means operate as the amplification means. Since it changes so as to cancel the change in gain, it is very stable against changes in ambient temperature.

【0030】[0030]

【実施例】以下、添付図面に基づいてこの発明の実施例
を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

【0031】(全体構成)図1は、この発明の赤外分光
装置の一実施例を用いて時間分解赤外分光法を行なう場
合のシステム構成を示す機能ブロック図である。
(Overall Structure) FIG. 1 is a functional block diagram showing the system structure when performing time-resolved infrared spectroscopy using an embodiment of the infrared spectroscopy apparatus of the present invention.

【0032】この発明の赤外分光装置は、赤外光源Sと
赤外光を導くための光学系を有する分散型の赤外分光器
10と、赤外分光器10に組み込まれ且つ赤外検出器D
を有する赤外検出器ユニット1と、赤外検出器Dにバイ
アスを供給するバイアス電源VBと、赤外検出器Dから
発せられた電気信号を増幅する増幅器AMP1とを備え
て構成される。
The infrared spectroscopic device of the present invention is a dispersion type infrared spectroscope 10 having an infrared light source S and an optical system for guiding infrared light, and an infrared spectroscope incorporated in the infrared spectroscope 10 and used for infrared detection. Bowl D
And an amplifier AMP1 for amplifying an electric signal emitted from the infrared detector D. The infrared detector unit 1 has a bias power supply VB for supplying a bias to the infrared detector D.

【0033】この発明の赤外分光装置の周囲には、さら
にパルス発生器11、試料SAM励起用の光源であるレ
ーザー装置12、レーザー装置12から発せられたレー
ザー光を試料SAMまで導く光学系、増幅器AMP1で
増幅された電気信号をさらに増幅する増幅器AMP2、
増幅器AMP2で増幅された電気信号から時間分解した
信号を取り出すボックスカー積分器16およびディジタ
ルオシロスコープ(DSA)17、ボックスカー積分器
16およびディジタルオシロスコープ17で得られたデ
ータを処理するためのコンピューター18が設けてあ
る。
Around the infrared spectroscopic device of the present invention, a pulse generator 11, a laser device 12 which is a light source for exciting the sample SAM, and an optical system for guiding the laser light emitted from the laser device 12 to the sample SAM, An amplifier AMP2 for further amplifying the electric signal amplified by the amplifier AMP1,
A boxcar integrator 16 and a digital oscilloscope (DSA) 17 for extracting a time-resolved signal from an electric signal amplified by the amplifier AMP2, and a computer 18 for processing the data obtained by the boxcar integrator 16 and the digital oscilloscope 17 are provided. It is provided.

【0034】(赤外分光器)赤外分光器10は、赤外光
源Sから発せられた赤外光を複数のミラーなどを用いて
赤外光検出器ユニット1内に導入し、そこに設けられた
赤外光検出器Dに照射する。赤外光源Sから赤外光検出
器Dまでの赤外光光路は次の通りである。
(Infrared spectroscope) The infrared spectroscope 10 introduces the infrared light emitted from the infrared light source S into the infrared photodetector unit 1 by using a plurality of mirrors, and is provided there. The infrared light detector D is irradiated. The infrared light optical path from the infrared light source S to the infrared light detector D is as follows.

【0035】赤外光源Sから発せられた赤外光は、まず
最初に凸面鏡M2で反射される。次に、平面鏡M3で反
射され、光学的絞りAP2を通って試料SAMに照射さ
れる。試料SAMを透過した赤外光は、平面鏡M4、M
5、M6、M7、M8で順に反射され、光学的スリット
SL1を通過した後、凹面鏡M9で反射されて回折格子
Gに入射する。回折格子Gに入射された赤外光は、回折
格子Gで反射され、波長(波数)選択される。波長選択
された赤外光は、凹面鏡9で再び反射され、光学的スリ
ットSL2を通過する。そして、高次光除去用の光学フ
ィルターFを通過し、平面鏡M10で反射された後、さ
らに凹面鏡M11で反射されてから赤外光検出器Dに照
射される。
The infrared light emitted from the infrared light source S is first reflected by the convex mirror M2. Next, the light is reflected by the plane mirror M3 and is irradiated onto the sample SAM through the optical diaphragm AP2. The infrared light transmitted through the sample SAM is reflected by the plane mirrors M4, M.
5, M6, M7, and M8 are sequentially reflected, and after passing through the optical slit SL1, they are reflected by the concave mirror M9 and enter the diffraction grating G. The infrared light incident on the diffraction grating G is reflected by the diffraction grating G, and the wavelength (wave number) is selected. The infrared light whose wavelength has been selected is reflected again by the concave mirror 9 and passes through the optical slit SL2. Then, after passing through the optical filter F for removing high-order light, reflected by the plane mirror M10, further reflected by the concave mirror M11, the infrared light detector D is irradiated.

【0036】赤外分光器10の使用波数範囲は、約40
00〜650cm-1とするのが好ましい。
The usable wave number range of the infrared spectroscope 10 is about 40.
It is preferably from 00 to 650 cm -1 .

【0037】平面鏡M3と絞りAP2の間には、チョッ
パーCHが光路中に出し入れ可能に設けてある。これ
は、チョッパーCHにより2〜3kHz程度の変調をか
けて測定を行ない、その赤外光の強度の絶対値を測定す
るのに用いる。それは、この発明の赤外分光装置では、
増幅器AMP1が図6の回路構成の場合は交流増幅を行
なうため、赤外光強度が直接には得られないからであ
る。赤外光強度の変化を測定する際には、チョッパーC
Hは光路から出しておく。
A chopper CH is provided between the plane mirror M3 and the diaphragm AP2 so that it can be inserted into and removed from the optical path. This is used to measure the absolute value of the intensity of the infrared light by performing the measurement with modulation of about 2 to 3 kHz by the chopper CH. That is, in the infrared spectrometer of the present invention,
This is because when the amplifier AMP1 has the circuit configuration of FIG. 6, AC amplification is performed, and thus the infrared light intensity cannot be directly obtained. When measuring the change in infrared light intensity, chopper C
H is taken out of the optical path.

【0038】赤外分光器10の内部にある図示しない回
折格子駆動用カム、高次光除去用干渉フィルタ、スリッ
ト、シャッタ、セクタ鏡、回折格子切り換え鏡などは、
分光光度計内部に搭載されたワンボードコンピューター
(図示省略)が制御するステッピングモーターにより駆
動される。このワンボードコンピューターと、データ処
理用の外部コンピューター18との間のデータ交信は、
シリアル回線(RS−232C)で行なう。
The not-shown cam for driving the diffraction grating, the interference filter for removing higher-order light, the slit, the shutter, the sector mirror, the diffraction grating switching mirror, etc., inside the infrared spectroscope 10 are
It is driven by a stepping motor controlled by a one-board computer (not shown) mounted inside the spectrophotometer. Data communication between this one-board computer and the external computer 18 for data processing is
Performed by serial line (RS-232C).

【0039】赤外光源Sとしては、分光光度計で標準に
用いられているグローバーを用いている。しかし、グロ
ーバーと共にセラミックス発光体(白金抵抗線を希土類
酸化物で覆ったもの)を設けておき、両者を使用周波数
に応じて切り換えて使用するのが好ましい。
As the infrared light source S, a glow bar used as a standard in a spectrophotometer is used. However, it is preferable that a ceramic light-emitting body (a platinum resistance wire covered with a rare earth oxide) is provided together with the glow bar, and both are switched and used according to the operating frequency.

【0040】レーザー装置12から発せられるレーザー
光は、後述するように、試料SAM上にある程度集光さ
れているので、モニター用赤外光をこれと同程度に集光
するため、試料SAMを一対の軸外し楕円面鏡で挟んだ
構造のビーム・コンデンサ(図示省略)を設けている。
このビーム・コンデンサにより、試料SAM位置での赤
外光ビームの大きさは直径1mm程度となる。
Since the laser light emitted from the laser device 12 is condensed on the sample SAM to some extent, as will be described later, a pair of sample SAMs is formed in order to collect the monitor infrared light to the same extent. A beam condenser (not shown) having a structure sandwiched between off-axis ellipsoidal mirrors is provided.
With this beam condenser, the size of the infrared light beam at the sample SAM position is about 1 mm in diameter.

【0041】なお、ここでは赤外分光器10として分散
型を用いているが、分散型以外の赤外分光器も使用可能
である。
Although the dispersion type infrared spectroscope 10 is used here, an infrared spectroscope other than the dispersion type can also be used.

【0042】パルス発生器11は、試料SAMの励起光
源であるレーザー装置12の発振と、チョッパーCHの
変調と、ボックスカー積分器16およびディジタルオシ
ロスコープ17のトリガーとの間でタイミングを取り、
それらを同期して作動させる作用を行なう。
The pulse generator 11 synchronizes the oscillation of the laser device 12 which is the excitation light source of the sample SAM, the modulation of the chopper CH, and the trigger of the boxcar integrator 16 and the digital oscilloscope 17,
It works to operate them in synchronization.

【0043】レーザー装置12は、試料の光励起用の光
源で、ナノ秒とピコ秒の時間幅を持つ2種類のレーザー
装置を切り換えて使用するようにしてある。
The laser device 12 is a light source for photoexcitation of the sample, and two kinds of laser devices having a time width of nanosecond and picosecond are switched and used.

【0044】ナノ秒のレーザー装置は、CW Qスイッ
チ Nd:YAGレーザーの出力をKTP結晶で2倍波
に変換したもの(波長532nm、繰り返し周波数50
Hz〜2kHz、エネルギー300μJ/パルス、パル
ス幅100ns)である。
The nanosecond laser device is a CW Q-switched Nd: YAG laser whose output is converted into a double wave by a KTP crystal (wavelength 532 nm, repetition frequency 50).
Hz to 2 kHz, energy 300 μJ / pulse, pulse width 100 ns).

【0045】ピコ秒のレーザー装置は、CW モードロ
ック Nd:YAGレーザーの出力をシード光に用い
た、CW 再生増幅器の出力をBBO結晶で2倍波、4
倍波に変換したもの(波長532nmあるいは266n
m、繰り返し周波数2kHz、エネルギー200〜40
0μJ/パルス、パルス幅65ns以下)である。
The picosecond laser device uses the output of the CW mode-locked Nd: YAG laser as the seed light, and outputs the output of the CW regenerative amplifier with the BBO crystal.
Converted to double wave (wavelength 532nm or 266n
m, repetition frequency 2 kHz, energy 200-40
0 μJ / pulse, pulse width 65 ns or less).

【0046】レーザー装置12から発せられたレーザー
光は、まず凸レンズL1、2次高調波発生器SHGおよ
び凸レンズL2を通ってプリズムPに導入される。そこ
で、波長を選択された後、光学的絞りAP1を通って平
面鏡M1で反射され、試料SAMに入射される。レーザ
ー光は、レンズL1、L2により試料SAM上に集光さ
れているため、試料SAMの光励起密度を高めることが
できる。
The laser light emitted from the laser device 12 is first introduced into the prism P through the convex lens L1, the second harmonic generator SHG and the convex lens L2. Therefore, after the wavelength is selected, it is reflected by the plane mirror M1 through the optical aperture AP1 and is incident on the sample SAM. Since the laser light is condensed on the sample SAM by the lenses L1 and L2, the photoexcitation density of the sample SAM can be increased.

【0047】上記構成のレーザー装置12により、過渡
現象を測定するのに十分な励起速度を得つつ、繰り返し
平均を行なうことにより測定のS/N比を向上させるこ
とができる。
With the laser device 12 having the above-described structure, it is possible to improve the S / N ratio of the measurement by performing the repeated averaging while obtaining the excitation speed sufficient for measuring the transient phenomenon.

【0048】(赤外光検出器ユニット)図2は、この発
明の赤外分光装置の赤外光検出器ユニットとその周辺機
器の一実施例を示す説明図、図3はその回路図、図4は
赤外光検出器を取り付けたヘッドの斜視図である。
(Infrared Light Detector Unit) FIG. 2 is an explanatory view showing an embodiment of the infrared light detector unit of the infrared spectroscopic apparatus of the present invention and its peripheral equipment, and FIG. 3 is its circuit diagram and FIG. 4 is a perspective view of a head to which an infrared light detector is attached.

【0049】赤外光検出器ユニット1は、図2に示すよ
うに、赤外光検出器Dと、赤外光検出器Dを収容する低
温容器(デュワー瓶)2と、検出器Dで発生する電気信
号を低温容器2の外部に取り出すためのリード線LDと
から構成してある。それらのリード線LDには、低温容
器2の外部において、検出器Dにバイアス電圧を印加す
るバイアス電源VBと、検出器Dが発生する電気信号を
増幅する増幅器AMP1とが接続してある。
As shown in FIG. 2, the infrared light detector unit 1 includes an infrared light detector D, a cryogenic container (Dewar bottle) 2 accommodating the infrared light detector D, and a detector D. And a lead wire LD for taking out an electric signal to the outside of the cryocontainer 2. A bias power supply VB for applying a bias voltage to the detector D and an amplifier AMP1 for amplifying an electric signal generated by the detector D are connected to the lead wires LD outside the cryogenic container 2.

【0050】赤外光検出器Dは、光導電型MCT結晶か
ら構成され、赤外光の照射を受けるとその強度に応じた
電気信号を発生する。この実施例では、図4に示すよう
に、検出器Dは低温容器(デュワー瓶)2の内部に設け
た金属製ヘッド5に取り付けてある。赤外光は、低温容
器2の赤外光導入部3に設けた窓4から導入され、検出
器Dに照射される。ヘッド5は室2aに隣接しており、
室2aに収容される液体窒素によって77゜Kに冷却さ
れるようにしてある。冷却により、MCT結晶が発生す
る熱雑音を低減することができる。検出器Dは、ヘッド
5を介して液体窒素によって冷却される。検出器Dが発
生する電気信号は、リード線LDを介して容器2の外部
に取り出される。
The infrared photodetector D is composed of a photoconductive MCT crystal, and when it is irradiated with infrared light, it generates an electric signal corresponding to its intensity. In this embodiment, as shown in FIG. 4, the detector D is attached to a metal head 5 provided inside a cryogenic container (Dewar bottle) 2. Infrared light is introduced through a window 4 provided in the infrared light introducing section 3 of the cryogenic container 2 and is irradiated on the detector D. The head 5 is adjacent to the chamber 2a,
The liquid nitrogen contained in the chamber 2a is cooled to 77 ° K. By cooling, the thermal noise generated by the MCT crystal can be reduced. The detector D is cooled by liquid nitrogen via the head 5. The electric signal generated by the detector D is taken out of the container 2 via the lead wire LD.

【0051】検出器Dには、バイアス電源VBによりバ
イアス抵抗RBを通じて電流が供給される(図3参
照)。検出器Dに赤外光が照射されると、その光強度に
比例して検出器Dの抵抗RDがわずかに低下し、その結
果、検出器Dとバイアス抵抗RBの接続点Aの電位が変
化する。そこで、この電位変化を信号として取り出せ
ば、照射された赤外光強度の絶対値を測定することがで
きる。
A current is supplied to the detector D from the bias power source VB through the bias resistor RB (see FIG. 3). When the detector D is irradiated with infrared light, the resistance RD of the detector D slightly decreases in proportion to the light intensity, and as a result, the potential of the connection point A between the detector D and the bias resistor RB changes. To do. Therefore, if this potential change is taken out as a signal, the absolute value of the intensity of the irradiated infrared light can be measured.

【0052】検出器Dは、用いているMCT結晶の組成
比を変えてカットオフ周波数を低波数側に延ばすと、比
検出能力D*が低下する(S/N比が低下する)。ここ
では、カットオフ波数と比検出能力D*のバランスを考
慮して、感度が800ないし700cm-1まであり、Sp
ectral D*(peak、10kHz、1Hz)が3〜5×1
10程度のものとしている。パルス光に対する応答の立
ち上がりは20ns、応答の減衰は1μs程度である。
In the detector D, when the composition ratio of the MCT crystal used is changed to extend the cutoff frequency to the low wave number side, the specific detection capability D * is lowered (S / N ratio is lowered). Here, considering the balance between the cutoff wave number and the specific detection capability D * , the sensitivity is 800 to 700 cm -1 , and Sp
ectral D * (peak, 10kHz, 1Hz) is 3-5 × 1
It is assumed to be about 0 10 . The rise of the response to the pulsed light is 20 ns, and the decay of the response is about 1 μs.

【0053】ここでは、赤外光検出器Dとして光導電型
のMCT結晶を用いているが、光起電型のMCT結晶で
もよく、赤外光を検出して電気信号を発生するものであ
れば、その他の公知の赤外光検出器を使用することがで
きる。
Here, a photoconductive MCT crystal is used as the infrared light detector D, but a photovoltaic MCT crystal may be used as long as it detects infrared light and generates an electric signal. For example, other known infrared light detectors can be used.

【0054】一般に、光導電型検出器の発生する信号強
度をSMCT、雑音密度をNMCT、増幅器の入力換算雑音密
度をNampとすると、増幅後の総合入力換算雑音密度Nt
otalは、光導電型検出器の雑音密度NMCTと増幅器の入
力換算雑音密度Nampとの2乗平均であるから、増幅系
を考慮したときのS/N比Rtotalは Rtotal = SMCT/Ntotal = SMCT/(NMCT2+Namp21/2 となる。
Generally, when the signal intensity generated by the photoconductive detector is SMCT, the noise density is NMCT, and the input conversion noise density of the amplifier is Namp, the total input conversion noise density Nt after amplification is Nt.
Since otal is the root mean square of the noise density NMCT of the photoconductive detector and the input equivalent noise density Namp of the amplifier, the S / N ratio Rtotal in consideration of the amplification system is Rtotal = SMCT / Ntotal = SMCT / (NMCT 2 + Namp 2 ) 1/2 .

【0055】光導電型検出器の信号強度SMCTと雑音密
度NMCTは、いずれもバイアス電流Ibにほぼ比例するの
で、増幅器の入力換算雑音密度Nampの影響が無視でき
るようにするには、バイアス電流Ibを可能な限り大き
く選び、雑音密度NMCTを増幅器の入力換算雑音密度Na
mpの少なくとも3倍以上にする必要がある。
Since the signal intensity SMCT and the noise density NMCT of the photoconductive detector are both substantially proportional to the bias current Ib, the bias current Ib can be ignored in order to neglect the influence of the input conversion noise density Namp of the amplifier. Is selected as large as possible, and the noise density NMCT is the input equivalent noise density Na of the amplifier.
It must be at least 3 times the mp.

【0056】従来の1MHz以上の広帯域低雑音の前置
増幅器の入力換算雑音密度Nampは、低いものでも2〜
4nV(Hz)1/2程度あるのが通常である。これが無
視できるようにするには、バイアス電流Ibをかなり大
きくする必要がある。例えば、バイアス電流Ibを推奨
値より6〜12倍程度大きくする必要がある。
The input-equivalent noise density Namp of the conventional wideband low-noise preamplifier of 1 MHz or more is 2 to 2 even if it is low.
It is usually about 4 nV (Hz) 1/2 . In order to make this negligible, the bias current Ib needs to be considerably large. For example, the bias current Ib needs to be about 6 to 12 times larger than the recommended value.

【0057】しかし、このようにバイアス電流Ibを大
きくすると、MCT結晶の熱的破壊強度を越えてしまう
恐れがある。また、信号強度SMCTも大きくなりすぎ
て、チョッパーを用いてモニター強度を測定する際に、
増幅器の出力クリップレベルを越えてしまう恐れが大で
ある。よって、測定のダイナミックレンジを高めるに
は、よりいっそう低雑音の増幅器を使用する必要があ
る。
However, if the bias current Ib is increased in this way, there is a possibility that the thermal breakdown strength of the MCT crystal may be exceeded. Also, the signal strength SMCT becomes too large, and when measuring the monitor strength using a chopper,
There is a great risk of exceeding the output clip level of the amplifier. Therefore, to increase the dynamic range of the measurement, it is necessary to use an even lower noise amplifier.

【0058】(バイアス電源)バイアス電源VBは、リ
ード線LDを介して検出器Dに接続してあり、所定の直
流電圧を検出器Dに供給する。バイアス電源VBとして
は、できるだけ低雑音のものを使用するのが好ましい。
(Bias Power Supply) The bias power supply VB is connected to the detector D via a lead wire LD and supplies a predetermined DC voltage to the detector D. As the bias power source VB, it is preferable to use one having as low noise as possible.

【0059】(増幅器)増幅器AMP1は、図5および
図6の回路構成のいずれかを採ることができる。しか
し、両回路構成を一つの増幅器に組み込んでもよく、そ
の場合は増幅する信号の周波数に応じて両者を切り換え
て使用するようにするのが好ましい。
(Amplifier) The amplifier AMP1 can have any of the circuit configurations shown in FIGS. However, both circuit configurations may be incorporated into one amplifier, and in that case, it is preferable to switch between the two in accordance with the frequency of the signal to be amplified.

【0060】(増幅器)図6は、増幅器AMP1の回
路構成の一例を示す回路図である。この増幅器AMP1
は、コンデンサC1を介して赤外光検出器Dに接続され
ているので、直流信号および低周波信号の増幅は行なわ
ない。高周波信号(例えば10kHz〜100MHz)
の増幅に好適である。
(Amplifier) FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of the circuit configuration of the amplifier AMP1. This amplifier AMP1
Is connected to the infrared photodetector D via the capacitor C1, so that the DC signal and the low frequency signal are not amplified. High frequency signal (for example, 10 kHz to 100 MHz)
It is suitable for amplification of.

【0061】この増幅器AMP1は、エミッタ接地の2
個のトランジスタQ1、Q2を用いた2段構成としてあ
る。また、トランジスタQ1、Q2に供給されるバイアス
電圧を安定化するための誤差増幅器Q3および反転増幅
器Q4を備えている。
This amplifier AMP1 has a grounded emitter 2
It has a two-stage configuration using individual transistors Q1 and Q2. Further, it has an error amplifier Q3 and an inverting amplifier Q4 for stabilizing the bias voltage supplied to the transistors Q1 and Q2.

【0062】VCCは増幅器AMP1のバイアス電源、V
REFは誤差増幅器Q3の基準電圧Vstdを発生する基準電
源、RCはトランジスタQ1のコレクタ抵抗、REはトラ
ンジスタQ2のエミッタ抵抗である。
Vcc is the bias power supply for the amplifier AMP1, V
REF is a reference power source for generating the reference voltage Vstd of the error amplifier Q3, RC is a collector resistance of the transistor Q1, and RE is an emitter resistance of the transistor Q2.

【0063】入力信号は、コンデンサC1を介して第1
段のトランジスタQ1のベースに入力される。出力信号
は、第2段のトランジスタQ2のエミッタから取り出さ
れる。トランジスタQ1、Q2の動作は、図10の従来の
増幅器61のそれと同じである。 この増幅器AMP1
では、従来の増幅器61とは異なり、直流と交流に分け
て負帰還をかけている。すなわち、第1段のトランジス
タQ1のベースには、第2段のトランジスタQ2のエミッ
タから、交流帰還抵抗RFacおよびコンデンサC4を介し
て交流の負帰還がかけてある。さらに、誤差増幅器Q3
の出力を反転増幅器Q4、直流帰還抵抗RFdcおよび抵抗
R3を介して第1段のトランジスタQ1のベースに送るこ
とにより、直流の負帰還がかけてある。直流帰還回路
は、直流帰還抵抗RFdcおよび抵抗R3の間で抵抗R4お
よびコンデンサC5を介して接地してある。 誤差増幅
器Q3の−端子は、抵抗R2を介してトランジスタQ1の
コレクタに接続してあり、その+端子は、基準電源VRE
Fを介してトランジスタQ1のコレクタ抵抗RCの一端に
接続してある。誤差増幅器Q3の出力の一部は、コンデ
ンサC3を介して−端子に帰還される。
The input signal is fed through the capacitor C1 to the first
It is input to the base of the transistor Q1 of the stage. The output signal is taken out from the emitter of the second stage transistor Q2. The operation of the transistors Q1 and Q2 is the same as that of the conventional amplifier 61 of FIG. This amplifier AMP1
However, unlike the conventional amplifier 61, negative feedback is applied to DC and AC separately. That is, AC negative feedback is applied to the base of the transistor Q1 of the first stage from the emitter of the transistor Q2 of the second stage via the AC feedback resistor RFac and the capacitor C4. Furthermore, the error amplifier Q3
Is sent to the base of the transistor Q1 of the first stage through the inverting amplifier Q4, the DC feedback resistor RFdc and the resistor R3, so that the DC negative feedback is applied. The DC feedback circuit is grounded between the DC feedback resistor RFdc and the resistor R3 via the resistor R4 and the capacitor C5. The minus terminal of the error amplifier Q3 is connected to the collector of the transistor Q1 via the resistor R2, and the plus terminal thereof is the reference power source VRE.
It is connected to one end of the collector resistance RC of the transistor Q1 via F. A part of the output of the error amplifier Q3 is fed back to the-terminal via the capacitor C3.

【0064】誤差増幅器Q3は差動増幅器であり、コレ
クタ抵抗RCの両端の電圧が変動して、基準電源VREFで
与えられる基準電圧Vstdとの間に誤差が生じると、そ
の誤差を増幅してトランジスタQ1のベースに補正信号
を注入する。こうして、誤差増幅器Q3は、トランジス
タQ1のコレクタ抵抗RCの両端の電圧を検出し、その電
圧が基準電圧Vstdに常に等しくなるように動作する。
その結果、コレクタ抵抗RCを流れる電流は一定とな
り、トランジスタQ2へのベース電流は無視できるとす
ると、トランジスタQ1を流れる電流は一定となる。こ
の時、バイアス電源VCCが一定ならトランジスタQ1の
コレクタ電圧も一定になり、初段増幅部の利得は安定に
なる。トランジスタQ2は、電圧が約1倍のエミッタフ
ォロワであり、利得は基本的に安定である。
The error amplifier Q3 is a differential amplifier, and when the voltage across the collector resistor RC fluctuates and an error occurs between the error and the reference voltage Vstd given by the reference power supply VREF, the error amplifier Q3 is amplified to amplify it. Inject the correction signal into the base of Q1. In this way, the error amplifier Q3 detects the voltage across the collector resistance RC of the transistor Q1 and operates so that the voltage is always equal to the reference voltage Vstd.
As a result, assuming that the current flowing through the collector resistance RC becomes constant and the base current flowing into the transistor Q2 can be ignored, the current flowing through the transistor Q1 becomes constant. At this time, if the bias power supply Vcc is constant, the collector voltage of the transistor Q1 is also constant, and the gain of the first-stage amplifier is stable. The transistor Q2 is an emitter follower having a voltage of about 1 time and its gain is basically stable.

【0065】基準電源VREFは、基準電圧Vstdが周囲温
度の変化に応じて変化するようにしてあり、それによっ
て周囲温度の変化によって生じたトランジスタQ1の利
得の変化を打ち消すようになっている。このような機能
を持つ基準電源VREFは、周囲温度に比例して所望の変
化率で抵抗値が変化する抵抗体を用いて実現することが
できる。あるいは、周囲温度に比例した電圧または電流
を取り出すことのできる公知のICを用いても実現可能
である。
The reference power supply VREF is designed so that the reference voltage Vstd changes in response to changes in ambient temperature, thereby canceling changes in the gain of the transistor Q1 caused by changes in ambient temperature. The reference power supply VREF having such a function can be realized by using a resistor whose resistance value changes at a desired rate of change in proportion to the ambient temperature. Alternatively, it can be realized by using a known IC capable of taking out a voltage or current proportional to the ambient temperature.

【0066】反転増幅器Q4は、極性を合わせるため、
誤差増幅器Q3の出力に接続されている。
Since the inverting amplifier Q4 has the same polarity,
It is connected to the output of the error amplifier Q3.

【0067】誤差増幅器Q3、インバータQ4、抵抗R
2、R3、R4、直流帰還抵抗RFdc、基準電源VREF、コ
ンデンサC3、C5は電圧制御手段を構成している。
Error amplifier Q3, inverter Q4, resistor R
2, R3, R4, DC feedback resistor RFdc, reference power supply VREF, and capacitors C3, C5 constitute voltage control means.

【0068】図6の増幅器AMP1は、その増幅度がト
ランジスタの物理定数によって決定されるため、基本的
にトランジスタQ1、Q2のバラツキや品種に関係なく一
定になる。そのため再現性に優れ、温度補正も良好に行
なえ、例えば100〜200ppm/゜Cの利得安定度
も困難ではない。また、バイアス電圧およびバイアス電
流が一定に保たれると共に負帰還をかけているので、ト
ランジスタQ1、Q2の増幅作用も安定する。さらに、雑
音源となる整合用抵抗を使用せずに、負帰還により入力
インピーダンスの整合を等価的に実現しているため、低
雑音である。
Since the amplification factor of the amplifier AMP1 of FIG. 6 is determined by the physical constants of the transistors, it is basically constant regardless of variations and types of the transistors Q1 and Q2. Therefore, the reproducibility is excellent, the temperature can be corrected well, and the gain stability of, for example, 100 to 200 ppm / ° C is not difficult. Further, since the bias voltage and the bias current are kept constant and the negative feedback is applied, the amplifying action of the transistors Q1 and Q2 is also stabilized. Furthermore, since the matching of the input impedance is equivalently realized by the negative feedback without using the matching resistor as the noise source, the noise is low.

【0069】さらに、この増幅器AMP1は、負帰還回
路を交流帰還回路と直流帰還回路に分けているので、交
流帰還量と直流帰還量をそれぞれ独立に設定でき、その
結果、動作点の設定が容易で設計の自由度が大きくな
る。例えば、初段を雑音最小の点に直流負帰還を設定
し、さらに入力インピーダンスが整合するように交流負
帰還を設定できる。
Further, in this amplifier AMP1, since the negative feedback circuit is divided into the AC feedback circuit and the DC feedback circuit, the AC feedback amount and the DC feedback amount can be set independently, and as a result, the operating point can be easily set. This increases the degree of freedom in design. For example, it is possible to set the DC negative feedback at the first stage at the point of minimum noise, and further set the AC negative feedback so that the input impedance is matched.

【0070】次に、周囲温度が変化しても、トランジス
タQ1、Q2の利得および入力インピーダンスが一定に保
たれる条件について説明する。
Next, the conditions under which the gain and the input impedance of the transistors Q1 and Q2 are kept constant even if the ambient temperature changes will be described.

【0071】一つのトランジスタについて考えると、エ
ミッタ接地の場合の電圧利得Gvは、次のように表わさ
れる。
Considering one transistor, the voltage gain Gv in the case of grounded emitter is expressed as follows.

【0072】まず、エミッタ電流ieは、トランジスタ
の帰還抵抗をRcとすると、 ie=VREF/Rc また、相互コンダクタンスgmは、 gm=q・ie/kT ここで、qは電子の電荷、kはボルツマン定数、Tは絶
対温度である。
First, assuming that the feedback resistance of the transistor is Rc, the emitter current ie is: ie = VREF / Rc Further, the transconductance gm is gm = q.ie / kT where q is the electron charge and k is the Boltzmann. The constant T is an absolute temperature.

【0073】したがって、トランジスタの電圧利得Gv
は、 Gv=gm ・ Rc =(q/kT)・VREF ………… (1) となる。
Therefore, the voltage gain Gv of the transistor is
Gv = gm.Rc = (q / kT) .VREF ........ (1)

【0074】(1)式により、電圧利得Gvは温度Tに
反比例して変化することが分かる。そこで、基準電圧V
REFを温度Tに比例して変化させれば、電圧利得Gvは温
度Tによって変化しなくなる。
From the equation (1), it can be seen that the voltage gain Gv changes in inverse proportion to the temperature T. Therefore, the reference voltage V
If REF is changed in proportion to the temperature T, the voltage gain Gv does not change with the temperature T.

【0075】すなわち、(VREF/T)=α(定数)と
なるように基準電圧VREFを変化させれば、 Gv=(q/k)・(VREF/T)=(q/k)・α ………… (2) となり、周囲温度が変化しても電圧利得Gvを一定に保
つことができる。
That is, if the reference voltage VREF is changed so that (VREF / T) = α (constant), Gv = (q / k)  (VREF / T) = (q / k) α ... (2) The voltage gain Gv can be kept constant even if the ambient temperature changes.

【0076】また、次に述べるように、トランジスタの
入力インピーダンスZiも、周囲温度の変化によって変
化する。
As will be described below, the input impedance Zi of the transistor also changes with changes in ambient temperature.

【0077】エミッタ接地のトランジスタQの入力イン
ピーダンスZiは、 Zi=rb +(hfe/gm) =rb +(q・α・hfe/k・Rc) ここで、rbはトランジスタのベース抵抗、hfeは電流
増幅率、Rcは帰還抵抗である。
The input impedance Zi of the grounded-emitter transistor Q is Zi = rb + (hfe / gm) = rb + (qαhfe / kRc) where rb is the base resistance of the transistor and hfe is the current. The amplification factor, Rc, is a feedback resistor.

【0078】高周波トランジスタでは通常、rbは数Ω
であるため無視できるから、 Zi≒(q・α/k・Rc)・hfe ………… (3) となる。
In a high frequency transistor, rb is usually several Ω
Since it can be ignored, Zi ≈ (q · α / k · Rc) · hfe (3).

【0079】電流増幅率hfeは通常、+7000ppm
/゜C程度の温度係数を持つので、入力インピーダンス
Ziは周囲温度によって変化することが分かる。
The current amplification factor hfe is usually +7000 ppm
Since the temperature coefficient is about / ° C, it can be seen that the input impedance Zi changes with the ambient temperature.

【0080】そこで、この増幅器AMPにおいて、上記
式(3)の関係を満たすように、交流帰還抵抗RFacの
抵抗値に温度係数を与えれば、増幅器AMP1の入力イ
ンピーダンスの温度変化を補償することができ、その結
果、広い温度範囲にわたって増幅器AMP1の入力イン
ピーダンスおよび電圧利得を一定に保つことも可能とな
る。
Therefore, in this amplifier AMP, if a temperature coefficient is given to the resistance value of the AC feedback resistor RFac so as to satisfy the relation of the above expression (3), the temperature change of the input impedance of the amplifier AMP1 can be compensated. As a result, it is possible to keep the input impedance and the voltage gain of the amplifier AMP1 constant over a wide temperature range.

【0081】例えば、電圧利得40dB、入力インピー
ダンス50Ωの増幅器では、シミュレーションによる
と、帰還抵抗に−800〜−850ppm/゜Cの温度
係数を与えれば、温度変化により入力インピーダンスの
変化を打ち消すことができ、入力インピーダンスを広い
温度範囲にわたって一定にすることができる。
For example, in an amplifier having a voltage gain of 40 dB and an input impedance of 50Ω, according to a simulation, if a temperature coefficient of −800 to −850 ppm / ° C is given to the feedback resistor, the change of the input impedance due to the temperature change can be canceled. The input impedance can be kept constant over a wide temperature range.

【0082】なお、コレクタ抵抗RCは例えば750
Ω、エミッタ抵抗REは例えば1kΩ、交流帰還抵抗RF
acは例えば11.5kΩ、直流帰還抵抗RFdcは例えば
20kΩ、抵抗R2は例えば1MΩ、抵抗R3は例えば1
kΩ、抵抗R4は例えば1kΩ、コンデンサC1は例えば
5μF、コンデンサC3は例えば0.33μF、コンデ
ンサC4は例えば0.33μF、コンデンサC5は例えば
0.33μFである。
The collector resistance RC is, for example, 750.
Ω, emitter resistance RE is, for example, 1 kΩ, AC feedback resistance RF
ac is, for example, 11.5 kΩ, DC feedback resistor RFdc is, for example, 20 kΩ, resistor R2 is, for example, 1 MΩ, and resistor R3 is, for example, 1
kΩ, the resistance R4 is 1 kΩ, the capacitor C1 is 5 μF, the capacitor C3 is 0.33 μF, the capacitor C4 is 0.33 μF, and the capacitor C5 is 0.33 μF.

【0083】電圧増幅手段は、上述した構成でなくて
も、上記と同様の動作をするものであれば他の構成でも
よい。また、増幅素子としては、トランジスタQ1、Q2
以外の公知の増幅素子(例えばFETやHEMT)を使
用できる。
The voltage amplifying means does not have to have the above-described structure, but may have another structure as long as it operates in the same manner as described above. Further, as the amplifying element, transistors Q1 and Q2 are used.
Other known amplifying elements (for example, FET and HEMT) can be used.

【0084】ここでは、増幅器AMP1を2段増幅の回
路構成としているが、1段増幅としてもよいし3段以上
としてもよい。
Although the amplifier AMP1 has a circuit configuration of two-stage amplification here, it may be one-stage amplification or three or more stages.

【0085】以上のように図6の回路構成の増幅器AM
P1を使用する理由は、次の通りである。
As described above, the amplifier AM having the circuit configuration shown in FIG.
The reason for using P1 is as follows.

【0086】上記赤外光検出器D(MCT結晶)では、
赤外光が照射されるとその光強度に比例してその抵抗R
Dがわずかに低下する。そこで、赤外光検出器Dに、バ
イアス抵抗RBを通じてバイアス電源VBにより電流を
流しておくと、赤外光検出器Dとバイアス抵抗RBの接
続点Aの電位が変化するので、これを信号として取り出
して赤外光強度の絶対値を測定する。この信号の周波数
特性は、直流域からMHz程度までほぼ平坦であるが、
これをそのまま増幅するとS/Nが低下する。その理由
は次の通りである。
In the infrared photodetector D (MCT crystal),
When irradiated with infrared light, its resistance R is proportional to its light intensity.
D is slightly reduced. Therefore, when a current is supplied to the infrared light detector D by the bias power supply VB through the bias resistor RB, the potential at the connection point A between the infrared light detector D and the bias resistor RB changes, and this is used as a signal. Take out and measure the absolute value of infrared light intensity. The frequency characteristic of this signal is almost flat from the DC region to about MHz,
If this is directly amplified, the S / N will decrease. The reason is as follows.

【0087】(1) 直流域では、MCT結晶に印加された
バイアス電圧分のオフセットが存在するが、これに比べ
て赤外光強度に比例した信号の強度はかなり小さいこ
と。
(1) In the DC region, there is an offset corresponding to the bias voltage applied to the MCT crystal, but the intensity of the signal proportional to the infrared light intensity is considerably smaller than that.

【0088】(2) 赤外光強度に比べて、赤外吸収の過渡
変化などから得られる信号の強度は、赤外光強度に比例
した信号よりもさらに小さいため、赤外光源のふらつき
などにより変動が生じること。
(2) Since the intensity of the signal obtained from the transient change of infrared absorption is smaller than that of the infrared light intensity, it is smaller than the signal proportional to the infrared light intensity. There will be fluctuations.

【0089】(3) MCT結晶自体の発生する1/f雑音
が、400Hz以下で立ち上がって来ること。
(3) The 1 / f noise generated by the MCT crystal itself rises at 400 Hz or less.

【0090】これらの点を考慮し、この増幅器AMP1
では、結合コンデンサC1により信号の直流域および低
周波領域を除去して交流増幅を行なうのである。同じ目
的で、増幅器AMP2の後にアクティブフィルタを挿入
してもよい。
Considering these points, this amplifier AMP1
Then, the coupling capacitor C1 removes the DC region and the low frequency region of the signal to perform AC amplification. An active filter may be inserted after the amplifier AMP2 for the same purpose.

【0091】ところで、交流増幅を行なうとモニター用
の赤外光強度Iは直接には得られなくなる。試料SAM
の過渡的な吸光度変化ΔAによる赤外光強度の変化ΔI
は、赤外光強度Iに比例するので、モニター光強度の変
化ΔIから試料の吸光度Aを求めるには、赤外光強度I
の絶対値を求めておく必要がある。そこで、光路にチョ
ッパーCHを入れて数kHzの変調をかけた測定を別に
行なうことにより、これを求めるようにしている。
By the way, if AC amplification is performed, the infrared light intensity I for monitoring cannot be obtained directly. Sample SAM
Change in infrared light intensity due to transient change in absorbance ΔA of ΔI
Is proportional to the infrared light intensity I, the infrared light intensity I can be calculated from the change A in the monitor light intensity ΔI to obtain the absorbance A of the sample.
It is necessary to obtain the absolute value of. Therefore, a chopper CH is placed in the optical path and a measurement with a modulation of several kHz is separately performed to obtain this.

【0092】(増幅器)図5は、増幅器AMP1の回
路構成の他の例を示す回路図である。この増幅器AMP
1は、結合コンデンサC1を使用せずに検出器Dと直接
接続しているため、直流信号および低周波信号(例えば
DC〜200kHz)を低雑音で増幅するのに好適であ
る。ここでは、第1増幅部と第2増幅部を備えた二段構
成としてある。
(Amplifier) FIG. 5 is a circuit diagram showing another example of the circuit configuration of the amplifier AMP1. This amplifier AMP
Since No. 1 is directly connected to the detector D without using the coupling capacitor C1, it is suitable for amplifying a DC signal and a low frequency signal (for example, DC to 200 kHz) with low noise. Here, a two-stage configuration including a first amplification section and a second amplification section is provided.

【0093】第1増幅部は、4個の同じ帰還増幅回路を
並列に接続して構成してある。それらの帰還増幅回路
は、図9の従来の増幅器51の第1増幅部の各帰還増幅
回路と同じ構成を持つ。すなわち、各帰還増幅回路は、
入力が共通で、入力信号はいずれも演算増幅器A1〜A4
にその+端子から入力される。演算増幅器A1〜A4の−
端子は、それぞれ帰還抵抗RS1〜RS4を介して接地され
ている。演算増幅器A1〜A4nの出力の一部は、それぞ
れ帰還抵抗RF1〜RF4を介して演算増幅器A1〜A4の−
端子に帰還される。演算増幅器A1〜A4の出力側には、
それぞれ抵抗R1〜R4が接続してあり、その出力は抵抗
R1〜R4を介して取り出され、合成されてから第2増幅
部に送られる。
The first amplification section is composed of four identical feedback amplification circuits connected in parallel. These feedback amplification circuits have the same configuration as each feedback amplification circuit of the first amplification section of the conventional amplifier 51 of FIG. That is, each feedback amplifier circuit
Inputs are common and all input signals are operational amplifiers A1 to A4
Is input to the + terminal. Of operational amplifiers A1 to A4
The terminals are grounded via feedback resistors RS1 to RS4, respectively. Some of the outputs of the operational amplifiers A1 to A4n are fed back to the operational amplifiers A1 to A4 via feedback resistors RF1 to RF4, respectively.
It is returned to the terminal. On the output side of the operational amplifiers A1 to A4,
Resistors R1 to R4 are connected to each other, and their outputs are taken out via the resistors R1 to R4, combined, and then sent to the second amplification section.

【0094】なお、演算増幅器A1〜A4はすべて同じ形
式であり、帰還抵抗RF1〜RF4は互いに等しい抵抗値を
持つ。また、帰還抵抗RS1〜RS4も互いに等しい抵抗値
を持ち、出力側の抵抗R1〜R4も互いに等しい抵抗値を
持つ。
The operational amplifiers A1 to A4 are all of the same type, and the feedback resistors RF1 to RF4 have the same resistance value. The feedback resistors RS1 to RS4 have the same resistance value, and the output resistors R1 to R4 also have the same resistance value.

【0095】第2増幅部は、演算増幅器Aaと帰還抵抗
RFaを有する1個の帰還増幅回路から構成してある。第
1増幅部の4個の帰還増幅回路の出力を合成して得た出
力は、演算増幅器Aaにその+端子から入力される。演
算増幅器Aaの−端子は、帰還抵抗RSaを介して接地さ
れている。演算増幅器Aaの出力の一部は、帰還抵抗RF
aを介して演算増幅器Aaの−端子に帰還される。演算増
幅器Aaの出力は出力端子から送出される。
The second amplifier section is composed of one feedback amplifier circuit having an operational amplifier Aa and a feedback resistor RFa. The output obtained by combining the outputs of the four feedback amplifier circuits of the first amplifier section is input to the operational amplifier Aa from its + terminal. The-terminal of the operational amplifier Aa is grounded via the feedback resistor RSa. A part of the output of the operational amplifier Aa is a feedback resistor RF.
It is fed back to the-terminal of the operational amplifier Aa via a. The output of the operational amplifier Aa is sent from the output terminal.

【0096】第2増幅部の演算増幅器Aaの入力インピ
ーダンスは、少なくとも抵抗R1〜R4の並列抵抗値以上
あればよい。並列抵抗値より小さいと十分な雑音低減効
果が得られないためである。
The input impedance of the operational amplifier Aa of the second amplifying section may be at least the parallel resistance value of the resistors R1 to R4. This is because if it is smaller than the parallel resistance value, a sufficient noise reduction effect cannot be obtained.

【0097】第2増幅部の入力インピーダンスは、抵抗
R1〜R4の並列抵抗値の10倍以上であるのが好まし
く、100倍以上であるのがより好ましい。
The input impedance of the second amplification section is preferably 10 times or more, and more preferably 100 times or more the parallel resistance value of the resistors R1 to R4.

【0098】この増幅器AMP1では、第2増幅部の入
力インピーダンスを第1増幅部の抵抗R1〜R4の並列抵
抗値の100倍以上に設定しているため、抵抗R1〜R4
を通って第2増幅部に流れ込む電流は非常に小さい。し
たがって、信号成分に対しては抵抗R1〜R4を無視する
ことができ、第1増幅部の各増幅回路は抵抗R1〜R4を
駆動する必要がなくなる。
In this amplifier AMP1, since the input impedance of the second amplification section is set to 100 times or more the parallel resistance value of the resistances R1 to R4 of the first amplification section, the resistances R1 to R4 are set.
The current flowing through the second amplification unit is very small. Therefore, the resistors R1 to R4 can be ignored for the signal component, and each amplifier circuit of the first amplifier section does not need to drive the resistors R1 to R4.

【0099】そこで、抵抗R1〜R4の抵抗値に応じて、
第1増幅部の帰還抵抗RS1〜RS4およびRF1〜RF4の抵
抗値を低く設定できるので、帰還抵抗RS1〜RS4および
RF1〜RF4の合成抵抗値が低くなり、第1増幅部の各帰
還増幅回路の発生する雑音が従来よりも低減される。
Therefore, according to the resistance values of the resistors R1 to R4,
Since the resistance values of the feedback resistors RS1 to RS4 and RF1 to RF4 of the first amplification unit can be set low, the combined resistance value of the feedback resistors RS1 to RS4 and RF1 to RF4 becomes low, and the feedback amplification circuits of the first amplification unit are reduced. The generated noise is reduced as compared with the conventional one.

【0100】この増幅器AMP1では、以上のようにし
て低減された第1増幅部の各帰還増幅回路の雑音がさら
に1/41/2=1/2となるので、第1増幅部全体の雑
音は大幅に低減される。その結果、従来よりいっそう優
れた低雑音増幅が可能となる。 第1増幅部のゲイン
は、第1増幅部の各増幅回路のゲインと同じである。
In this amplifier AMP1, the noise of each feedback amplifying circuit of the first amplifying section reduced as described above becomes 1/4 1/2 = 1/2, so that the noise of the entire first amplifying section is increased. Is significantly reduced. As a result, much better low noise amplification than before is possible. The gain of the first amplification unit is the same as the gain of each amplification circuit of the first amplification unit.

【0101】なお、この実施例では、第1増幅部の4個
の帰還増幅回路をまったく同じ構成にしているが、帰還
増幅回路でゲインが同じであれば一部の構成要素が異な
っていてもよいし、同じ構成要素でそれら構成要素の数
値などが異なっていてもよい。また、帰還増幅回路であ
れば、演算増幅器A1〜A4を使用しない他の形式の増幅
回路であってもよい。
In this embodiment, the four feedback amplification circuits of the first amplification section have exactly the same configuration, but if the feedback amplification circuits have the same gain, some components may be different. The same component may have different numerical values or the like. Further, as long as it is a feedback amplification circuit, it may be another type of amplification circuit that does not use the operational amplifiers A1 to A4.

【0102】図5の回路構成の増幅器AMP1の効果を
確認するため、この増幅器AMP1と従来の増幅器51
を製作して以下の試験条件で試験を行なった。増幅器A
MP1は図5に示す回路構成とし、従来の増幅器51は
図9に示す回路構成で第1増幅部の帰還増幅回路の数は
4個とした。
In order to confirm the effect of the amplifier AMP1 having the circuit configuration shown in FIG. 5, this amplifier AMP1 and the conventional amplifier 51 are used.
Was manufactured and tested under the following test conditions. Amplifier A
The MP1 has the circuit configuration shown in FIG. 5, and the conventional amplifier 51 has the circuit configuration shown in FIG.

【0103】(試験条件) この発明の増幅器AMP1 第1増幅部 演算増幅器A1〜A4:LT1028 帰還抵抗RF1〜RF4:760Ω 帰還抵抗RS1〜RS4:10Ω 抵抗R1〜R4 :1kΩ ゲイン :77倍 第2増幅部 演算増幅器Aa :AD829 帰還抵抗RFa :300Ω 帰還抵抗RSa :1kΩ ゲイン :1.3倍 増幅器全体のゲイン :100倍 従来の増幅器51 第1増幅部 演算増幅器A1〜A4:LT1028 帰還抵抗RF1〜RF4:1.2kΩ 帰還抵抗RS1〜RS4:50Ω 合成抵抗R1〜R4 :2kΩ ゲイン :25倍 第2増幅部 演算増幅器Aa :AD829 帰還抵抗RFa :2kΩ ゲイン :4倍 増幅器全体のゲイン :100倍 (試験結果)得られた結果は、 この発明の前置増幅器PA: 雑音レベル O.47n
V/(Hz)1/2 従来の増幅器51 : 雑音レベル 0.64n
V/(Hz)1/2 であり、この発明の増幅器AMP1は、従来の増幅器5
1に比べて大幅に低雑音となっていることが確認され
た。
(Test conditions) Amplifier AMP1 of the present invention First amplifying section Operational amplifiers A1 to A4: LT1028 Feedback resistors RF1 to RF4: 760Ω Feedback resistors RS1 to RS4: 10Ω Resistors R1 to R4: 1 kΩ Gain: 77 times second amplification Operational amplifier Aa: AD829 Feedback resistance RFa: 300Ω Feedback resistance RSa: 1kΩ Gain: 1.3 times Gain of the entire amplifier: 100 times Conventional amplifier 51 1st amplification section Operational amplifiers A1 to A4: LT1028 Feedback resistances RF1 to RF4: 1.2kΩ Feedback resistance RS1 to RS4: 50Ω Combined resistance R1 to R4: 2kΩ gain: 25 times 2nd amplification section Operational amplifier Aa: AD829 Feedback resistance RFa: 2kΩ gain: 4 times Gain of entire amplifier: 100 times (test result) The obtained results show that the preamplifier PA of the present invention: noise level O. 47n
V / (Hz) 1/2 Conventional amplifier 51: Noise level 0.64n
V / (Hz) 1/2 , the amplifier AMP1 of the present invention is the same as the conventional amplifier 5
It was confirmed that the noise was significantly lower than that of 1.

【0104】この実施例では、第1増幅部の帰還増幅回
路の個数を4個としているが、4個以外の任意の数に設
定してもよい。また、第2増幅部を増幅回路に代えてバ
ッファとしてもよい。さらに、第2増幅部を設けずに第
1増幅部の合成出力を直接負荷に入力してもよいし、第
1増幅部の前にさらに増幅回路などの他の回路を設けて
もよい。
In this embodiment, the number of feedback amplifier circuits in the first amplifier section is four, but it may be set to any number other than four. Further, the second amplification section may be replaced with an amplification circuit and used as a buffer. Further, the combined output of the first amplifying unit may be directly input to the load without providing the second amplifying unit, or another circuit such as an amplifying circuit may be further provided before the first amplifying unit.

【0105】また、適宜個数の帰還増幅回路により第1
増幅部10をユニットとして構成しておき、それらユニ
ットを複数個接続しておいて、必要に応じて使用するユ
ニットの数をスイッチにより変更するようにしてもよ
い。こうすれば、ゲインを一定に保ちながら、所望の雑
音レベルの第1増幅部10を容易に得ることができる利
点がある。
In addition, the number of feedback amplifier circuits is appropriately set to
The amplification unit 10 may be configured as a unit, a plurality of these units may be connected, and the number of units used may be changed by a switch as necessary. In this way, there is an advantage that the first amplification section 10 having a desired noise level can be easily obtained while keeping the gain constant.

【0106】増幅器AMP1で増幅された信号は、増幅
器AMP2でさらに増幅された後、ボックスカー積分器
16またはディジタルオシロスコープ17に入力され、
そこで時間分解測定を行なう。時間分解を行なう時の波
数分解能は、S/N比を考慮すると、4〜16cm-1
度にするのが好ましい。
The signal amplified by the amplifier AMP1 is further amplified by the amplifier AMP2 and then input to the boxcar integrator 16 or the digital oscilloscope 17,
Therefore, time-resolved measurement is performed. The wave number resolution at the time of resolution is preferably about 4 to 16 cm −1 in consideration of the S / N ratio.

【0107】この赤外分光装置では、増幅器AMP1に
図6の回路構成を用いた場合、増幅器AMP1は交流増
幅を行なうため、試料SAMの励起による信号の変化量
を求めるには、トリガ点以前の励起の影響を受けていな
い信号レベルを差し引く必要がある。そこで、ディジタ
ルオシロスコープ17においてトリガ点以前のデータも
取り込み、その平均値を波形全体から数値的に差し引く
処理を行なう。
In this infrared spectroscopy apparatus, when the circuit configuration of FIG. 6 is used for the amplifier AMP1, the amplifier AMP1 carries out AC amplification, so in order to obtain the amount of change in the signal due to the excitation of the sample SAM, the signal before the trigger point must be obtained. It is necessary to subtract the signal level that is not affected by the excitation. Therefore, the digital oscilloscope 17 also acquires the data before the trigger point and numerically subtracts the average value from the entire waveform.

【0108】上記レーザー装置12は、通常は数kHz
の繰り返しで発振するため、観測対象となる現象がそれ
に十分追従できる場合には、繰り返し平均を行なうこと
により、測定のS/N比を向上させることができる。ボ
ックスカー積分器16での積算はアナログ的に行なわれ
るため、このような高い繰り返しの現象でも十分に追従
可能である。したがって、励起後のある時刻での過渡赤
外スペクトルを得たいときには、ボックスカー積分器1
6は非常に有効である。
The laser device 12 is usually several kHz.
When the phenomenon to be observed can sufficiently follow it, the S / N ratio of the measurement can be improved by repeating the averaging. Since the integration in the boxcar integrator 16 is performed in an analog manner, it is possible to sufficiently follow such a phenomenon of high repetition. Therefore, when it is desired to obtain the transient infrared spectrum at a certain time after excitation, the boxcar integrator 1
6 is very effective.

【0109】(時間分解測定)この発明の赤外分光装置
を使用した図1のシステムでは、時間分解赤外分光測定
は次のようにして行なう。
(Time-Resolved Measurement) In the system of FIG. 1 using the infrared spectroscopic device of the present invention, time-resolved infrared spectroscopic measurement is performed as follows.

【0110】まず、試料SAMにレーザ光を照射しない
で、試料SAMに入射する赤外光(モニター光)強度I
0と試料SAMを透過した赤外光の強度Iを測定する。
これらは、チョッパーCHを作動させながら試料SAM
を赤外光光路中に出し入れして求めることができる。
First, the intensity I of infrared light (monitor light) incident on the sample SAM without irradiating the sample SAM with laser light.
0 and the intensity I of infrared light transmitted through the sample SAM are measured.
These are sample SAMs while operating the chopper CH.
Can be obtained by taking it in and out of the infrared light optical path.

【0111】次に、試料SAMにレーザー光を照射して
励起しながら時間分解測定を行ない、試料SAMを透過
した赤外光強度の過渡的な変化量ΔIを求める。
Next, a time-resolved measurement is performed while irradiating the sample SAM with laser light to excite it, and a transient change amount ΔI of the infrared light intensity transmitted through the sample SAM is obtained.

【0112】レーザー光で励起することにより生じた試
料SAMの過渡吸光度変化は、次のようにして求められ
る。
The transient absorbance change of the sample SAM caused by exciting with laser light can be obtained as follows.

【0113】試料SAMのもともとの吸光度をA(溶媒
や他の成分などの吸光度も含んだ値)、励起による過渡
的な吸光度変化をΔAとすると、次の式が成り立つ。
When the original absorbance of the sample SAM is A (a value including the absorbance of the solvent and other components) and the transient absorbance change due to excitation is ΔA, the following equation is established.

【0114】[0114]

【数1】 [Equation 1]

【0115】赤外光強度の変化量ΔIはその強度Iに比
例する。この2者の比(ΔI/I)は通常、強度Iより
はるかに小さいので(<0.001)、以下のような近
似式が成り立つ。
The change amount ΔI of the infrared light intensity is proportional to the intensity I. Since the ratio (ΔI / I) of the two is usually much smaller than the intensity I (<0.001), the following approximate expression holds.

【0116】ΔA≒−O.43429×(ΔI/I) この式から赤外光強度の変化量ΔIを求めることができ
る。
ΔA≈−O. 43429 × (ΔI / I) From this equation, the change amount ΔI of the infrared light intensity can be calculated.

【0117】親分子種(吸光度AP)のうち比率rが励
起により過渡分子種(吸光度AT)に変わったとする
と、 ΔA=rAT − rAP AT =Δ(A+rAP)/r 溶液と溶媒の差スペクトルを取るなどの方法でAPを求
めることができる場合は、上記式で比率rを適当に選
び、ΔAスペクトル中の負ピーク成分を除去すれば、A
Tを求めることができる。
If the ratio r of the parent molecular species (absorbance AP) is changed to a transient molecular species (absorbance AT) by excitation, ΔA = rAT−rAP AT = Δ (A + rAP) / r The difference spectrum between the solution and the solvent is taken. If AP can be obtained by the method described above, the ratio r can be appropriately selected by the above equation, and the negative peak component in the ΔA spectrum can be removed to obtain A
You can ask for T.

【0118】この発明の赤外分光装置を使用した図1の
システムで得られた、α型無金属フタロシアニン(α−
2C)薄膜の時間分解赤外吸収差スペクトルを図8に
示す。上段のスペクトルは光励起後50〜122μsの
間、中段のスペクトルは光励起後0〜30μsの間の過
渡吸収差スペクトル、下段のスペクトルは基底状態の吸
収スペクトルである。
The α-type metal-free phthalocyanine (α-obtained by the system of FIG. 1 using the infrared spectrometer of the present invention).
The time-resolved infrared absorption difference spectrum of H 2 P C) thin film shown in FIG. The upper spectrum is a transient absorption difference spectrum between 50 and 122 μs after photoexcitation, the middle spectrum is a transient absorption difference spectrum between 0 and 30 μs after photoexcitation, and the lower spectrum is a ground state absorption spectrum.

【0119】試料SAMには、Nacl基板上にα−H
2Cを約1.1μm蒸着したものを用い、光励起には、
CW QスイッチNd:YAGレーザーの2倍波を使用
した。試料SAM上でのレーザー光強度は19μJ/パ
ルス、波数分解能は1240cmー1で15cmー1、掃引
速度が1.8cmー1/分、レーザー光の繰り返し周波数
が2kHzである。
For the sample SAM, α-H was formed on the Nacl substrate.
Using 2 P C vapor-deposited about 1.1 μm, for photoexcitation,
The second harmonic of a CW Q-switched Nd: YAG laser was used. The laser light intensity on the sample SAM is 19 μJ / pulse, the wave number resolution is 1240 cm −1 and 15 cm −1 , the sweep speed is 1.8 cm −1 / min, and the laser light repetition frequency is 2 kHz.

【0120】図8の縦軸を見ると、吸光度変化ΔAにし
て3×10ー7(300ppb)まで検出できており、非
常に高感度であることが分かる。
[0120] Looking at the vertical axis of FIG. 8, in the absorbance change ΔA is able to detect up to 3 × 10 over 7 (300 ppb), it can be seen very sensitive.

【0121】このシステムは、次のような優れた性能を
持つサブマイクロ秒時間分解赤外分光システムとなるこ
とが確認された。
It was confirmed that this system is a sub-microsecond time-resolved infrared spectroscopy system having the following excellent performance.

【0122】 測定波数範囲 4000〜700c
-1 最高時間分解能 100ナノ秒以下 検出感度ΔA 約3×10-7(300ppb、最
高値) 上記実施例では、励起光源としてレーザー装置12を使
用しているが、それ以外の公知の光源(例えばフラッシ
ュランプ)も使用可能である。
Measurement wave number range 4000 to 700c
m −1 Maximum time resolution 100 nanoseconds or less Detection sensitivity ΔA Approximately 3 × 10 −7 (300 ppb, maximum value) In the above embodiment, the laser device 12 was used as the excitation light source, but other known light sources ( A flash lamp, for example) can also be used.

【0123】[0123]

【発明の効果】以上説明したように、この発明の第1の
赤外分光装置は、簡単な構成で極めて低雑音である。
As described above, the first infrared spectroscopic device of the present invention has a simple structure and extremely low noise.

【0124】この発明の第2の赤外分光装置は、周囲温
度の変化に対して動作が極めて安定である。
The second infrared spectroscopic device of the present invention is extremely stable in operation with respect to changes in ambient temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の赤外分光装置の一実施例を用いて時
間分解赤外分光法を行なう場合のシステム構成を示す機
能ブロック図である。
FIG. 1 is a functional block diagram showing a system configuration when performing time-resolved infrared spectroscopy using an embodiment of an infrared spectroscopy device of the present invention.

【図2】図1のシステムの赤外光検出器ユニットとその
周辺機器の構成を示す概略構成図である。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a configuration of an infrared light detector unit and its peripheral devices in the system of FIG.

【図3】図2の赤外光検出器ユニットとその周辺機器の
回路図である。
FIG. 3 is a circuit diagram of the infrared light detector unit of FIG. 2 and its peripheral devices.

【図4】赤外光検出器を取り付けたヘッドの斜視図であ
る。
FIG. 4 is a perspective view of a head to which an infrared light detector is attached.

【図5】増幅器の回路構成の一例を示す回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of an amplifier.

【図6】増幅器の回路構成の他の例を示す回路図であ
る。
FIG. 6 is a circuit diagram showing another example of the circuit configuration of the amplifier.

【図7】帰還増幅器の概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram of a feedback amplifier.

【図8】図1のシステムで測定したα型無金属フタロシ
アニン薄膜の時間分解赤外吸収差スペクトルである。
8 is a time-resolved infrared absorption difference spectrum of the α-type metal-free phthalocyanine thin film measured by the system of FIG.

【図9】従来の増幅器の一例を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing an example of a conventional amplifier.

【図10】従来の増幅器の他の例を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing another example of a conventional amplifier.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 赤外分光器 S 赤外光源 AP1、AP2 光学的絞り L1、L2 凸レンズ SHG 2次高調波発生器 P プリズム M1、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M10
平面鏡 M2 凸面鏡 M9、M11 凹面鏡 G 回折格子 SL1、SL2 光学的スリット F フィルター CH チョッパー SAM 試料 11 パルス発生器 12 レーザー装置 16 ボックスカー積分器 17 ディジタルオシロスコープ 18 データ処理用コンピューター 1 赤外光検出器ユニット 2 低温容器 2a 室 3 容器の光導入部 4 光導入部の窓 5 検出器取付け用ヘッド D 赤外光検出器 LD リード線 RB バイアス抵抗 RD 赤外光検出器の抵抗 VB バイアス電源 TR トランジスタ DA 差動増幅器 VS 基準電源 CS コンデンサ R11、R12 抵抗 V 電源 AA AC増幅器 C1 結合コンデンサ A1〜A4 演算増幅器 RS1〜RS4、RF1〜RF4 帰還抵抗 R1〜R4 抵抗 Aa 演算増幅器 RFa 帰還抵抗 RSa 帰還抵抗 PA 前置増幅器 Q1、Q2 トランジスタ Q3 誤差増幅器 Q4 インバータ RC コレクタ抵抗 RE エミッタ抵抗 RFac 交流帰還抵抗 RFdc 直流帰還抵抗 R2、R3、R4 抵抗 C3、C4、C5 コンデンサ VREF 基準電源 VCC 電源電圧
10 Infrared spectroscope S Infrared light source AP1, AP2 Optical diaphragm L1, L2 Convex lens SHG Second harmonic generator P Prism M1, M3, M4, M5, M6, M7, M8, M10
Plane mirror M2 Convex mirror M9, M11 Concave mirror G Diffraction grating SL1, SL2 Optical slit F Filter CH Chopper SAM Sample 11 Pulse generator 12 Laser device 16 Boxcar integrator 17 Digital oscilloscope 18 Data processing computer 1 Infrared detector unit 2 Low-temperature container 2a chamber 3 Light introducing part of container 4 Window of light introducing part 5 Detector mounting head D Infrared photodetector LD Lead wire RB Bias resistance RD Infrared photodetector resistance VB Bias power supply TR transistor DA Differential Amplifier VS Reference power supply CS Capacitor R11, R12 Resistance V power supply AA AC amplifier C1 Coupling capacitor A1 ~ A4 Operational amplifier RS1 ~ RS4, RF1 ~ RF4 Feedback resistance R1 ~ R4 Resistance Aa Operational amplifier RFa Feedback resistance RSa Feedback resistance PA Preamplifier Q1 , Q2 Transistor Q3 Error amplifier Q4 Inverter RC Collector resistance RE Emitter resistance RFac AC feedback resistance RFdc DC feedback resistance R2, R3, R4 resistance C3, C4, C5 capacitor VREF Reference power supply VCC Power supply voltage

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 赤外光源と、 前記赤外光源により発生された赤外光を分光する赤外分
光手段と、 前記赤外光源により発生された赤外光を受けてそれに応
じた電気信号を発生する赤外光検出手段と、 前記赤外光検出手段に結合され且つ前記赤外光検出手段
で発生した電気信号を増幅する増幅手段とを備えてな
り、 前記増幅手段が、互いに並列に接続された複数の帰還増
幅回路を有すると共にそれら増幅回路の出力を抵抗を介
して合成する第1増幅部と、その第1増幅部に結合され
た第2増幅部とを備えていて、しかも前記第2増幅部の
入力インピーダンスが、前記第1増幅部の抵抗の並列抵
抗値以上であることを特徴とする赤外分光装置。
1. An infrared light source, an infrared spectroscopic unit that disperses infrared light generated by the infrared light source, and an infrared signal generated by the infrared light source and an electric signal corresponding to the infrared light. Infrared light detecting means for generating, and an amplifying means coupled to the infrared light detecting means and amplifying an electric signal generated by the infrared light detecting means, wherein the amplifying means are connected in parallel with each other. A plurality of feedback amplifier circuits that are coupled to each other, combine a output of the amplifier circuits via a resistor, and a second amplifier portion that is coupled to the first amplifier portion. 2. The infrared spectroscopic device, wherein the input impedance of the second amplifier is equal to or more than the parallel resistance value of the resistors of the first amplifier.
【請求項2】 赤外光源と、 前記赤外光源により発生された赤外光を分光する赤外分
光手段と、 前記赤外光源により発生された赤外光を受けてそれに応
じた電気信号を発生する赤外光検出手段と、 前記赤外光検出手段に結合され且つ前記赤外光検出手段
で発生した電気信号を増幅する増幅手段とを備えてな
り、 前記増幅手段が、負帰還により信号源抵抗との入力イン
ピーダンスの整合を実現しており、しかも、負荷の両端
の電圧を基準電圧に等しくなるように制御し且つその基
準電圧が周囲温度に応じて当該増幅手段の利得の変化を
打ち消すように変化する電圧制御手段と、交流負帰還を
かける交流負帰還手段と、直流負帰還をかける直流負帰
還手段とを有していて、前記交流負帰還手段および直流
負帰還手段が周囲温度に応じて変化する当該増幅手段の
利得の変化を打ち消すような温度係数を有していること
を特徴とする赤外分光装置。
2. An infrared light source, an infrared spectroscopic unit that disperses the infrared light generated by the infrared light source, and an electric signal corresponding to the infrared light generated by the infrared light source. Infrared light detecting means for generating, and comprising an amplifying means coupled to the infrared light detecting means and amplifying an electric signal generated by the infrared light detecting means, wherein the amplifying means is a negative feedback signal. The input impedance is matched with the source resistance, and the voltage across the load is controlled to be equal to the reference voltage, and the reference voltage cancels the change in the gain of the amplifying means according to the ambient temperature. Thus, the voltage control means, the AC negative feedback means for applying the AC negative feedback, and the DC negative feedback means for applying the DC negative feedback are provided, and the AC negative feedback means and the DC negative feedback means are set to the ambient temperature. Change accordingly Infrared spectrometer, characterized in that it has a temperature coefficient for canceling the change in the gain of the amplification means.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006129107A (en) * 2004-10-29 2006-05-18 Nippon Precision Circuits Inc Signal amplifier
JP2011169642A (en) * 2010-02-16 2011-09-01 Soma Kogaku:Kk Scanning type diffraction grating spectroscope

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