專利名稱：超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及互阻放大器，特別涉及一種超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器， 具體說是一種通過電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的參考電壓端對(duì)待測(cè)器件施加偏壓以產(chǎn)生待測(cè)電流， 再通過第二級(jí)非反相放大器將該偏壓從所述電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出電壓中減除的互阻 放大器。
背景技術(shù)：
對(duì)于一些小于1納安極弱電流的測(cè)量，往往需要對(duì)待測(cè)器件施加偏壓VB以產(chǎn)生極弱電流
信號(hào)I，再用互阻抗放大器(transi卿edance amplifier)將該極弱電流信號(hào)I轉(zhuǎn)換成電壓信 號(hào)V,輸出。但該電壓信號(hào)V,上一般額外附含了待測(cè)器件上施加的偏壓VB，導(dǎo)致互阻抗放大器 輸出的電壓信號(hào)V,不能準(zhǔn)確反映待測(cè)極弱電流I的大小，也使得測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍變小，因?yàn)?該動(dòng)態(tài)范圍的一部分被上述附含的偏壓Vb占用了。解決這兩個(gè)問題的現(xiàn)有技術(shù)包括(1)用 第二級(jí)減法器(subtractor)，或(2)用第二級(jí)儀器放大器(instrumentation amplifier), 將偏壓VB從電壓信號(hào)Vt中減除。這兩種做法的缺點(diǎn)是(l)使用減法器時(shí)，由于減法器的輸 入阻抗較低，會(huì)改變甚至破壞電壓信號(hào)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(huì)降低測(cè)量信噪比；(2)使用儀器放大器時(shí)，儀器放大器的輸 入阻抗雖然很高，但代價(jià)是要用兩個(gè)運(yùn)算放大器或用一個(gè)集成了兩個(gè)運(yùn)算放大器的儀器放大 器，這導(dǎo)致電子學(xué)噪聲和制作成本都增加。最終，上述的這些噪聲、低輸入阻抗等問題會(huì)降 低信噪比、靈敏度、分辨率和測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中在用二級(jí)電路將互阻抗放大器輸出電壓信號(hào)中減除其附含的待測(cè)器 件偏壓時(shí)須引入低輸入阻抗或過多噪聲的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián) 配去偏壓互阻放大器。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案是
本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器，包括互阻放大器TIA，還包括運(yùn) 算放大器0PA、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3、第二增益調(diào)節(jié)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(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器 的倍偏壓輸入端2Vs并接第一增益調(diào)節(jié)電阻R3，第一增益調(diào)節(jié)電阻R3的另一端接運(yùn)算放大器 0PA的負(fù)輸入端V-和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4，第二增益調(diào)節(jié)電阻R4的另一端接運(yùn)算放大器OPA 的輸出端并構(gòu)成所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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(gòu)成所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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(yùn)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(diào)節(jié)電阻R3的積等于第二分壓電阻R2和第二增益調(diào)節(jié) 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(diào)節(jié)電阻R3和第二增益調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)電阻R3或第二增益調(diào)節(jié)電阻 R4為可變電阻。
本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的工作原理為-利用運(yùn)算放大器OPA的虛斷和虛短特性并參見附圖1，可得本發(fā)明超低噪聲高精度二級(jí)
聯(lián)配去偏壓互阻放大器的輸入-輸出關(guān)系為
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(zhuǎn)換增益，I為來自待測(cè)器件的待測(cè)電流,2VB
是加在所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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分壓后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(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的電流輸入端Ii"成
為加載到待測(cè)器件上的偏壓。
當(dāng)RlxR3-R2xR4時(shí)，輸出電壓V。ut = - IG (R4/R3+1)，不含VB，這就去除了附含的偏壓項(xiàng)。
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(yùn)算放大器0PA的正輸入端
V+，就不會(huì)對(duì)互阻放大器TIA的輸出信號(hào)產(chǎn)生任何的畸變。此外，這里所用的全部電阻，包
括第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4皆可選
用小于1兆歐姆的小阻值，不會(huì)引入較高的Johnson噪聲。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在
(1) 具有極高的靈敏度和信噪比，在輸入電流小于100飛安(即10—13安培)時(shí)依然能保持 極高的線性測(cè)量響應(yīng)(見附圖2)。
(2) 具有極高的帶寬，在其第一級(jí)的互阻抗增益設(shè)定為109伏/安時(shí)，帶寬高于lMHz(見圖 3)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，原因尚不清楚。(3)用本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器構(gòu)成大氣掃描隧道顯微鏡的前 置放大器之后，獲得了石墨樣品極清晰的原子分辨率圖像(見附圖4)。


圖1是本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中標(biāo)號(hào)TIA互阻抗放大器、0PA運(yùn)算放大器、V+運(yùn)算放大器的正輸入端、V-運(yùn)算放 大器的負(fù)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(fā)明超低噪聲 超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的輸出端、Iin本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓 互阻放大器的電流輸入端、I來自待測(cè)器件的待測(cè)電流、2VB本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí) 聯(lián)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(diào)節(jié)電阻、R4第二增益調(diào)節(jié)電阻。
圖2是實(shí)際測(cè)量到的本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器給出的電流轉(zhuǎn) 換到電壓的響應(yīng)關(guān)系。
圖3是實(shí)際測(cè)量到的本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器給出的頻率響 應(yīng)結(jié)果，明確顯示出具有大于1兆赫茲帶寬的頻率響應(yīng)。
圖4是使用本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器作為前置放大器而測(cè)量 到的石墨樣品的原子分辨率掃描隧道顯微鏡圖像，顯示出極高的原子分辨率清晰度。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1:基本型超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器
本發(fā)明基本型超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的結(jié)構(gòu)示意圖見附圖1，按以
下方式構(gòu)筑非反相放大器NIA:第二增益調(diào)節(jié)電阻R4的兩端分別接運(yùn)算放大器OPA的負(fù)輸入 端V—和輸出端V。ut，該輸出端構(gòu)成所述非反相放大器NIA的輸出端V。ut，第一增益調(diào)節(jié)電阻R3 的一端接所述運(yùn)算放大器OPA的負(fù)輸入端V-，第一增益調(diào)節(jié)電阻R3的另一端構(gòu)成非反相放大 器NIA的參考輸入端VR3，所述運(yùn)算放大器OPA的正輸入端V+構(gòu)成非反相放大器NIA的輸入端 V+，如此構(gòu)筑的非反相放大器NIA作為二級(jí)放大電路以如下方式同作為一級(jí)放大電路的互阻 放大器TIA相連構(gòu)成所述超低噪聲高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器
互阻放大器TIA的輸入端構(gòu)成所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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^并構(gòu)成所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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(gòu)成所述超低噪聲 超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的輸出端V。ut。
上述實(shí)施例中的的第一分壓電阻Rl、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3或第二增 益調(diào)節(jié)電阻R4為可變電阻。
上述實(shí)施例中第一分壓電阻Rl與第一增益調(diào)節(jié)電阻R3的積可取為等于第二分壓電阻R2 和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4的積。
上述實(shí)施例中的第一分壓電阻RI、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3和第二增益 調(diào)節(jié)電阻R4的阻值可取為相同值。
本實(shí)施例的工作原理為利用運(yùn)算放大器OPA的虛斷和虛短特性并參見附圖1，可得本發(fā)
明超低噪聲高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的輸入-輸出關(guān)系為 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(zhuǎn)換增益，I為來自待測(cè)器件的待測(cè)電流，2VB 是加在所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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分壓后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(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的電流輸入端L。，成 為加載到待測(cè)器件上的偏壓。
當(dāng)RlxR3:R2xR4時(shí)，輸出電壓V則^ - IGTIA(R4/R3+1)，不含VB，這就去除了附含的偏壓 項(xiàng)。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(huì)對(duì)互阻放大器TIA的輸出信號(hào)產(chǎn)生任何的畸變。此外，這里所用的全部電阻， 包括第一分壓電阻Rl、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4皆可 選用小于1兆歐姆的小阻值，不會(huì)引入較高的Johnson噪聲。
根據(jù)上述實(shí)施例的描述并參考附圖1,選用Texas Instrument公司的型號(hào)為0PA627的 運(yùn)算放大器，以及1G歐姆的反饋電阻構(gòu)造成的互阻放大器TIA，并選用同樣型號(hào)的運(yùn)算放大 器作為本實(shí)施例中的運(yùn)算放大器0PA，由此構(gòu)造的本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓 互阻放大器與已有技術(shù)相比，具有如下實(shí)際測(cè)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(duì)輸入電流的響應(yīng)在輸入電流小于100飛安
(即10—"安培)時(shí)依然能保持接近1的線性關(guān)聯(lián)度(見附圖2)。
(2) 具有極高的帶寬，在其第一級(jí)的互阻抗增益設(shè)定為109伏/安時(shí)，帶寬高于lMHz(見圖 3)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的同類產(chǎn)品，原因尚不清楚。
(3) 作為前置放大器應(yīng)用于大氣掃描隧道顯微鏡之后，獲得了石墨樣品極清晰的原子分辨 率圖像(見附圖4)。
權(quán)利要求
1、一種超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器，包括互阻放大器TIA，其特征在于還包括運(yùn)算放大器OPA、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3、第二增益調(diào)節(jié)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(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器的倍偏壓輸入端2VB并接第一增益調(diào)節(jié)電阻R3，第一增益調(diào)節(jié)電阻R3的另一端接運(yùn)算放大器OPA的負(fù)輸入端V-和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4，第二增益調(diào)節(jié)電阻R4的另一端接運(yùn)算放大器OPA的輸出端并構(gòu)成所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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(gòu)成所述超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)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(yùn)算放大器OPA正輸入端V+。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器，其特征在于所述第 一分壓電阻與第一增益調(diào)節(jié)電阻R3的積等于第二分壓電阻R2和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4的 積。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器，其特征在于所述第 一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3和第二增益調(diào)節(jié)電阻R4都取相同阻 值。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l、或2、或3所述的超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器，其特 征在于所述的第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3或第二增益調(diào)節(jié)電 阻R4為可變電阻。
全文摘要
本發(fā)明超低噪聲超高精度二級(jí)聯(lián)配去偏壓互阻放大器包括互阻放大器TIA、運(yùn)算放大器OPA、第一分壓電阻R1、第二分壓電阻R2、第一增益調(diào)節(jié)電阻R3、第二增益調(diào)節(jié)電阻R4，是一種通過電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的參考電壓端對(duì)待測(cè)器件施加偏壓，再通過第二級(jí)非反相放大器將該偏壓從所述電流-電壓轉(zhuǎn)換放大器的輸出電壓中減除的互阻放大器。本發(fā)明具有極高的靈敏度、信噪比和帶寬。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101556296SQ20081002361
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者侯玉斌, 王霽暉, 陸輕鈾 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)