超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的製作方法
2023-05-30 15:02:31 2
專利名稱：超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及互阻放大器，特別涉及一種超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器， 具體說是一種通過電流-電壓轉換放大器的參考電壓端對待測器件施加偏壓以產生待測電流， 再通過第二級非反相放大器將該偏壓從所述電流-電壓轉換放大器的輸出電壓中減除的互阻 放大器。
背景技術：
對於一些小於1納安極弱電流的測量，往往需要對待測器件施加偏壓VB以產生極弱電流
信號I，再用互阻抗放大器(transi卿edance amplifier)將該極弱電流信號I轉換成電壓信 號V,輸出。但該電壓信號V,上一般額外附含了待測器件上施加的偏壓VB，導致互阻抗放大器 輸出的電壓信號V,不能準確反映待測極弱電流I的大小，也使得測量的動態範圍變小，因為 該動態範圍的一部分被上述附含的偏壓Vb佔用了。解決這兩個問題的現有技術包括(1)用 第二級減法器(subtractor)，或(2)用第二級儀器放大器(instrumentation amplifier), 將偏壓VB從電壓信號Vt中減除。這兩種做法的缺點是(l)使用減法器時，由於減法器的輸 入阻抗較低，會改變甚至破壞電壓信號V"若使用較大的電阻R來提高減法器的輸入阻抗， 則該電阻R上的Johnson噪聲會降低測量信噪比；(2)使用儀器放大器時，儀器放大器的輸 入阻抗雖然很高，但代價是要用兩個運算放大器或用一個集成了兩個運算放大器的儀器放大 器，這導致電子學噪聲和製作成本都增加。最終，上述的這些噪聲、低輸入阻抗等問題會降 低信噪比、靈敏度、解析度和測量精度。
發明內容
為了克服現有技術中在用二級電路將互阻抗放大器輸出電壓信號中減除其附含的待測器 件偏壓時須引入低輸入阻抗或過多噪聲的缺點，本發明提供了一種超低噪聲超高精度二級聯 配去偏壓互阻放大器。
本發明實現上述目的技術方案是
本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器，包括互阻放大器TIA，還包括運 算放大器0PA、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3、第二增益調節電 阻R4，所述第一分壓電阻Rl的一端接地，另一端接互阻放大器TIA的參考輸入端和第二分壓電阻R2，第二分壓電阻R2的另一端為所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器 的倍偏壓輸入端2Vs並接第一增益調節電阻R3，第一增益調節電阻R3的另一端接運算放大器 0PA的負輸入端V-和第二增益調節電阻R4，第二增益調節電阻R4的另一端接運算放大器OPA 的輸出端並構成所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的輸出端V。ul，互阻放大器 TIA的輸入端構成所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的電流輸入端1, ，互阻 放大器TIA的輸出端接運算放大器0PA正輸入端V+。
所述第一分壓電阻Rl與第一增益調節電阻R3的積等於第二分壓電阻R2和第二增益調節 電阻R4的積。
所述第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3和第二增益調節電阻R4 都取相同阻值。
所述的第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3或第二增益調節電阻 R4為可變電阻。
本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的工作原理為-利用運算放大器OPA的虛斷和虛短特性並參見附圖1，可得本發明超低噪聲高精度二級
聯配去偏壓互阻放大器的輸入-輸出關係為
V。ut = 2VB(RlxR3-R2xR4)/[R3(Rl+R2)] - IG (R4/R3+1)
其中，Gm是互阻放大器TIA的電流-電壓轉換增益，I為來自待測器件的待測電流,2VB
是加在所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的倍偏壓輸入端的電壓值，該電壓
值被第一分壓電阻Rl和第二分壓電阻R2分壓後的電壓通過互阻放大器TIA的參考輸入端以
虛電壓的方式加載到所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的電流輸入端Ii"成
為加載到待測器件上的偏壓。
當RlxR3-R2xR4時，輸出電壓V。ut = - IG (R4/R3+1)，不含VB，這就去除了附含的偏壓項。
由附圖1所示，互阻放大器TIA的輸出直接接到輸入阻抗極高的運算放大器0PA的正輸入端
V+，就不會對互阻放大器TIA的輸出信號產生任何的畸變。此外，這裡所用的全部電阻，包
括第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3和第二增益調節電阻R4皆可選
用小於1兆歐姆的小阻值，不會引入較高的Johnson噪聲。
與已有技術相比，本發明的有益效果體現在
(1) 具有極高的靈敏度和信噪比，在輸入電流小於100飛安(即10—13安培)時依然能保持 極高的線性測量響應(見附圖2)。
(2) 具有極高的帶寬，在其第一級的互阻抗增益設定為109伏/安時，帶寬高於lMHz(見圖 3)，遠遠高於現有的同類產品，原因尚不清楚。(3)用本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器構成大氣掃描隧道顯微鏡的前 置放大器之後，獲得了石墨樣品極清晰的原子解析度圖像(見附圖4)。
圖1是本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的基本結構示意圖。 圖中標號TIA互阻抗放大器、0PA運算放大器、V+運算放大器的正輸入端、V-運算放 大器的負輸入端、NIA非反相放大器、VR3非反相放大器的參考輸入端、V。ul本發明超低噪聲 超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的輸出端、Iin本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓 互阻放大器的電流輸入端、I來自待測器件的待測電流、2VB本發明超低噪聲超高精度二級 聯配去偏壓互阻放大器的倍偏壓輸入端、Rl第一分壓電阻、R2第二分壓電阻、R3第一增益 調節電阻、R4第二增益調節電阻。
圖2是實際測量到的本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器給出的電流轉 換到電壓的響應關係。
圖3是實際測量到的本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器給出的頻率響 應結果，明確顯示出具有大於1兆赫茲帶寬的頻率響應。
圖4是使用本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器作為前置放大器而測量 到的石墨樣品的原子解析度掃描隧道顯微鏡圖像，顯示出極高的原子解析度清晰度。
具體實施例方式
實施例1:基本型超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器
本發明基本型超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的結構示意圖見附圖1，按以
下方式構築非反相放大器NIA:第二增益調節電阻R4的兩端分別接運算放大器OPA的負輸入 端V—和輸出端V。ut，該輸出端構成所述非反相放大器NIA的輸出端V。ut，第一增益調節電阻R3 的一端接所述運算放大器OPA的負輸入端V-，第一增益調節電阻R3的另一端構成非反相放大 器NIA的參考輸入端VR3，所述運算放大器OPA的正輸入端V+構成非反相放大器NIA的輸入端 V+，如此構築的非反相放大器NIA作為二級放大電路以如下方式同作為一級放大電路的互阻 放大器TIA相連構成所述超低噪聲高精度二級聯配去偏壓互阻放大器
互阻放大器TIA的輸入端構成所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的電流 輸入端Iin，互阻放大器TIA的輸出端接非反相放大器NIA的輸入端V+，互阻放大器TIA的參 考輸入端接第一分壓電阻R1和第二分壓電阻R2，第一分壓電阻R1的另一端接地，第二分壓 電阻R2的另一端接非反相放大器NIA的參考輸入端^並構成所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的倍偏壓輸入端2VB，非反相放大器NIA的輸出端V。^構成所述超低噪聲 超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的輸出端V。ut。
上述實施例中的的第一分壓電阻Rl、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3或第二增 益調節電阻R4為可變電阻。
上述實施例中第一分壓電阻Rl與第一增益調節電阻R3的積可取為等於第二分壓電阻R2 和第二增益調節電阻R4的積。
上述實施例中的第一分壓電阻RI、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3和第二增益 調節電阻R4的阻值可取為相同值。
本實施例的工作原理為利用運算放大器OPA的虛斷和虛短特性並參見附圖1，可得本發
明超低噪聲高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的輸入-輸出關係為 V。ut = 2VB(RlxR3-R2xR4)/[R3(Rl+R2)] - IG (R4/R3+1)
其中，Gm是互阻放大器TIA的電流-電壓轉換增益，I為來自待測器件的待測電流，2VB 是加在所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的倍偏壓輸入端的電壓值，該電壓 值被第一分壓電阻Ri和第二分壓電阻R2分壓後的電壓通過互阻放大器TIA的參考輸入端以 虛電壓的方式加載到所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的電流輸入端L。，成 為加載到待測器件上的偏壓。
當RlxR3:R2xR4時，輸出電壓V則^ - IGTIA(R4/R3+1)，不含VB，這就去除了附含的偏壓 項。由附圖1所示，互阻放大器TIA的輸出直接接到輸入阻抗極高的非反相放大器NIA的輸 入端V+，就不會對互阻放大器TIA的輸出信號產生任何的畸變。此外，這裡所用的全部電阻， 包括第一分壓電阻Rl、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3和第二增益調節電阻R4皆可 選用小於1兆歐姆的小阻值，不會引入較高的Johnson噪聲。
根據上述實施例的描述並參考附圖1,選用Texas Instrument公司的型號為0PA627的 運算放大器，以及1G歐姆的反饋電阻構造成的互阻放大器TIA，並選用同樣型號的運算放大 器作為本實施例中的運算放大器0PA，由此構造的本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓 互阻放大器與已有技術相比，具有如下實際測量到的有益效果
(1) 具有極高的靈敏度和信噪比，其輸出電壓對輸入電流的響應在輸入電流小於100飛安
(即10—"安培)時依然能保持接近1的線性關聯度(見附圖2)。
(2) 具有極高的帶寬，在其第一級的互阻抗增益設定為109伏/安時，帶寬高於lMHz(見圖 3)，遠遠高於現有的同類產品，原因尚不清楚。
(3) 作為前置放大器應用於大氣掃描隧道顯微鏡之後，獲得了石墨樣品極清晰的原子分辨 率圖像(見附圖4)。
權利要求
1、一種超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器，包括互阻放大器TIA，其特徵在於還包括運算放大器OPA、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3、第二增益調節電阻R4，所述第一分壓電阻R1的一端接地，另一端接互阻放大器TIA的參考輸入端和第二分壓電阻R2，第二分壓電阻R2的另一端為所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的倍偏壓輸入端2VB並接第一增益調節電阻R3，第一增益調節電阻R3的另一端接運算放大器OPA的負輸入端V-和第二增益調節電阻R4，第二增益調節電阻R4的另一端接運算放大器OPA的輸出端並構成所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的輸出端Vout，互阻放大器TIA的輸入端構成所述超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器的電流輸入端Iin，互阻放大器TIA的輸出端接運算放大器OPA正輸入端V+。
2、 根據權利要求1所述的超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器，其特徵在於所述第 一分壓電阻與第一增益調節電阻R3的積等於第二分壓電阻R2和第二增益調節電阻R4的 積。
3、 根據權利要求1所述的超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器，其特徵在於所述第 一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3和第二增益調節電阻R4都取相同阻 值。
4、 根據權利要求l、或2、或3所述的超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器，其特 徵在於所述的第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3或第二增益調節電 阻R4為可變電阻。
全文摘要
本發明超低噪聲超高精度二級聯配去偏壓互阻放大器包括互阻放大器TIA、運算放大器OPA、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調節電阻R3、第二增益調節電阻R4，是一種通過電流-電壓轉換放大器的參考電壓端對待測器件施加偏壓，再通過第二級非反相放大器將該偏壓從所述電流-電壓轉換放大器的輸出電壓中減除的互阻放大器。本發明具有極高的靈敏度、信噪比和帶寬。
文檔編號G01R19/00GK101556296SQ20081002361
公開日2009年10月14日 申請日期2008年4月9日 優先權日2008年4月9日
發明者侯玉斌, 王霽暉, 陸輕鈾 申請人:中國科學技術大學