CN101556296B - 超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器 - Google Patents
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Abstract
本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器包括互阻放大器TIA、运算放大器OPA、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3、第二增益调节电阻R4，是一种通过电流-电压转换放大器的参考电压端对待测器件施加偏压，再通过第二级非反相放大器将该偏压从所述电流-电压转换放大器的输出电压中减除的互阻放大器。本发明具有极高的灵敏度、信噪比和带宽。
Description
技术领域
本发明涉及互阻放大器，特别涉及一种超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，具体说是一种通过电流-电压转换放大器的参考电压端对待测器件施加偏压以产生待测电流，再通过第二级非反相放大器将该偏压从所述电流-电压转换放大器的输出电压中减除的互阻放大器。
背景技术
对于一些小于1纳安极弱电流的测量，往往需要对待测器件施加偏压VB以产生极弱电流信号I，再用互阻抗放大器(transimpedance amplifier)将该极弱电流信号I转换成电压信号VI输出。但该电压信号VI上一般额外附含了待测器件上施加的偏压VB，导致互阻抗放大器输出的电压信号VI不能准确反映待测极弱电流I的大小，也使得测量的动态范围变小，因为该动态范围的一部分被上述附含的偏压VB占用了。解决这两个问题的现有技术包括(1)用第二级减法器(subtractor)，或(2)用第二级仪器放大器(instrumentation amplifier)，将偏压VB从电压信号VI中减除。这两种做法的缺点是：(1)使用减法器时，由于减法器的输入阻抗较低，会改变甚至破坏电压信号VI；若使用较大的电阻R来提高减法器的输入阻抗，则该电阻R上的Johnson噪声会降低测量信噪比；(2)使用仪器放大器时，仪器放大器的输入阻抗虽然很高，但代价是要用两个运算放大器或用一个集成了两个运算放大器的仪器放大器，这导致电子学噪声和制作成本都增加。最终，上述的这些噪声、低输入阻抗等问题会降低信噪比、灵敏度、分辨率和测量精度。
发明内容
为了克服现有技术中在用二级电路将互阻抗放大器输出电压信号中减除其附含的待测器件偏压时须引入低输入阻抗或过多噪声的缺点，本发明提供了一种超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器。
本发明实现上述目的技术方案是：
本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，包括互阻放大器TIA，还包括运算放大器OPA、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3、第二增益调节电阻R4，所述第一分压电阻R1的一端接地，另一端接互阻放大器TIA的参考输入端和第二分压电阻R2，第二分压电阻R2的另一端为所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的倍偏压输入端2VB并接第一增益调节电阻R3，第一增益调节电阻R3的另一端接运算放大器OPA的负输入端V-和第二增益调节电阻R4，第二增益调节电阻R4的另一端接运算放大器OPA的输出端并构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的输出端Vout，互阻放大器TIA的输入端构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的电流输入端Iin，互阻放大器TIA的输出端接运算放大器OPA正输入端V+。
所述第一分压电阻R1与第一增益调节电阻R3的积等于第二分压电阻R2和第二增益调节电阻R4的积。
所述第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3和第二增益调节电阻R4都取相同阻值。
所述的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3或第二增益调节电阻R4为可变电阻。
本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的工作原理为：
利用运算放大器OPA的虚断和虚短特性并参见附图1，可得本发明超低噪声高精度二级联配去偏压互阻放大器的输入-输出关系为：
Vout＝2VB(R1×R3-R2×R4)/[R3(R1+R2)]-IGTIA(R4/R3+1)
其中，GTIA是互阻放大器TIA的电流-电压转换增益，I为来自待测器件的待测电流，2VB是加在所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的倍偏压输入端的电压值，该电压值被第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压后的电压通过互阻放大器TIA的参考输入端以虚电压的方式加载到所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的电流输入端Iin，成为加载到待测器件上的偏压。
当R1×R3＝R2×R4时，输出电压Vout＝-IGTIA(R4/R3+1)，不含VB，这就去除了附含的偏压项。由附图1所示，互阻放大器TIA的输出直接接到输入阻抗极高的运算放大器OPA的正输入端V+，就不会对互阻放大器TIA的输出信号产生任何的畸变。此外，这里所用的全部电阻，包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3和第二增益调节电阻R4皆可选用小于1兆欧姆的小阻值，不会引入较高的Johnson噪声。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)具有极高的灵敏度和信噪比，在输入电流小于100飞安(即10-13安培)时依然能保持极高的线性测量响应(见附图2)。
(2)具有极高的带宽，在其第一级的互阻抗增益设定为109伏/安时，带宽高于1MHz(见图3)，远远高于现有的同类产品，原因尚不清楚。
(3)用本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器构成大气扫描隧道显微镜的前置放大器之后，获得了石墨样品极清晰的原子分辨率图像(见附图4)。
附图说明
图1是本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的基本结构示意图。
图中标号：TIA互阻抗放大器、OPA运算放大器、V+运算放大器的正输入端、V-运算放大器的负输入端、NIA非反相放大器、VR3非反相放大器的参考输入端、Vout本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的输出端、Iin本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的电流输入端、I来自待测器件的待测电流、2VB本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的倍偏压输入端、R1第一分压电阻、R2第二分压电阻、R3第一增益调节电阻、R4第二增益调节电阻。
图2是实际测量到的本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器给出的电流转换到电压的响应关系。
图3是实际测量到的本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器给出的频率响应结果，明确显示出具有大于1兆赫兹带宽的频率响应。
图4是使用本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器作为前置放大器而测量到的石墨样品的原子分辨率扫描隧道显微镜图像，显示出极高的原子分辨率清晰度。
具体实施方式
实施例1：基本型超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器
本发明基本型超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的结构示意图见附图1，按以下方式构筑非反相放大器NIA：第二增益调节电阻R4的两端分别接运算放大器ORA的负输入端V-和输出端Vout，该输出端构成所述非反相放大器NIA的输出端Vout，第一增益调节电阻R3的一端接所述运算放大器OPA的负输入端V-，第一增益调节电阻R3的另一端构成非反相放大器NIA的参考输入端VR3,所述运算放大器OPA的正输入端V+构成非反相放大器NIA的输入端V+，如此构筑的非反相放大器NIA作为二级放大电路以如下方式同作为一级放大电路的互阻放大器TIA相连构成所述超低噪声高精度二级联配去偏压互阻放大器：
互阻放大器TIA的输入端构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的电流输入端Iin，互阻放大器TIA的输出端接非反相放大器NIA的输入端V+，互阻放大器TIA的参考输入端接第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，第一分压电阻R1的另一端接地，第二分压电阻R2的另一端接非反相放大器NIA的参考输入端VR3并构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的倍偏压输入端2VB，非反相放大器NIA的输出端Vout构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的输出端Vout。
上述实施例中的的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3或第二增益调节电阻R4为可变电阻。
上述实施例中第一分压电阻R1与第一增益调节电阻R3的积可取为等于第二分压电阻R2和第二增益调节电阻R4的积。
上述实施例中的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3和第二增益调节电阻R4的阻值可取为相同值。
本实施例的工作原理为：利用运算放大器OPA的虚断和虚短特性并参见附图1，可得本发明超低噪声高精度二级联配去偏压互阻放大器的输入-输出关系为：
Vout＝2VB(R1×R3-R2×R4)/[R3(R1+R2)]-IGTIA(R4/R3+1)
其中，GTIA是互阻放大器TIA的电流-电压转换增益，I为来自待测器件的待测电流，2VB是加在所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的倍偏压输入端的电压值，该电压值被第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压后的电压通过互阻放大器TIA的参考输入端以虚电压的方式加载到所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的电流输入端Iin，成为加载到待测器件上的偏压。
当R1×R3＝R2×R4时，输出电压Vout＝-IGTIA(R4/R3+1)，不含VB，这就去除了附含的偏压项。由附图1所示，互阻放大器TIA的输出直接接到输入阻抗极高的非反相放大器NIA的输入端V+，就不会对互阻放大器TIA的输出信号产生任何的畸变。此外，这里所用的全部电阻，包括第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3和第二增益调节电阻R4皆可选用小于1兆欧姆的小阻值，不会引入较高的Johnson噪声。
根据上述实施例的描述并参考附图1，选用Texas Instrument公司的型号为OPA627的运算放大器，以及1G欧姆的反馈电阻构造成的互阻放大器TIA，并选用同样型号的运算放大器作为本实施例中的运算放大器OPA，由此构造的本发明超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器与已有技术相比，具有如下实际测量到的有益效果：
(1)具有极高的灵敏度和信噪比，其输出电压对输入电流的响应在输入电流小于100飞安(即10-13安培)时依然能保持接近1的线性关联度(见附图2)。
(2)具有极高的带宽，在其第一级的互阻抗增益设定为109伏/安时，带宽高于1MHz(见图3)，远远高于现有的同类产品，原因尚不清楚。
(3)作为前置放大器应用于大气扫描隧道显微镜之后，获得了石墨样品极清晰的原子分辨率图像(见附图4)。
Claims (4)
1. 一种超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，包括互阻放大器TIA，其特征在于还包括运算放大器OPA、第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3、第二增益调节电阻R4，所述第一分压电阻R1的一端接地，另一端接互阻放大器TIA的参考输入端和第二分压电阻R2，第二分压电阻R2的另一端为所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的倍偏压输入端2VB并接第一增益调节电阻R3，第一增益调节电阻R3的另一端接运算放大器OPA的负输入端V-和第二增益调节电阻R4，第二增益调节电阻R4的另一端接运算放大器OPA的输出端并构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的输出端Vout，互阻放大器TIA的输入端构成所述超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器的电流输入端Iin，互阻放大器TIA的输出端接运算放大器OPA正输入端V+。
2. 根据权利要求1所述的超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，其特征在于所述第一分压电阻R1与第一增益调节电阻R3的积等于第二分压电阻R2和第二增益调节电阻R4的积。
3. 根据权利要求1所述的超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，其特征在于所述第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3和第二增益调节电阻R4都取相同阻值。
4. 根据权利要求1、或2、或3所述的超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器，其特征在于所述的第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第一增益调节电阻R3或第二增益调节电阻R4为可变电阻。
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