一种高增益低噪音的微弱脉冲电流信号放大电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微弱电流信号检测领域，尤其涉及一种高增益低噪音的微弱脉冲电流 信号放大电路，可应用在电化学、光电检测、离子迀移谱、扫描隧道电镜等微弱电流信号放 大的场合。
【背景技术】
[0002] 微弱电流信号是指纳安（nA)、皮安（pA)和飞安（fA)级的电流信号，广泛存在于电 化学伏安分析、光电检测、静电检测、超高电阻检测、质谱分析、物质成分分析等场合中。在 上述场合中，如何测量其中微弱电流信号是整个检测过程的重要问题。一般说来，微弱电流 信号越小，需要设计的前置放大电路的增益就越高；然而，前置电路的增益越高时，电路中 的噪声也会被放大，输出噪音也越大；另一方面，当电路的增益越高时，整个电路的带宽也 会降低。增益、噪音、带宽成为微弱电流信号放大电路性能的重要指标。微弱电流信号的放 大可采用大电阻或小容值电容积分形式加以放大，采用大电阻放大会引入热噪声，同时由 于寄生电容、杂散电容的存在，电路的带宽仅为几十赫兹，这对于测量瞬时的电流脉动信号 是十分不利的；采用小电容积分虽然不引入热噪声但输出容易饱和。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种高增益低噪音的微弱脉冲电流信号放大电路，能够 较好地解决微弱电流信号放大中增益、噪音和带宽相互制约的问题。
[0004] 本发明的一种微弱脉冲电流信号放大电路，包括电容变换模块、反馈补偿模块以 及零点补偿模块；所述电容变换模块的输入端接收待检测装置输出的微弱脉冲电流信号， 输出端连接到反馈补偿模块的输入端，同时还连接到零点补偿模块的输入端；所述的反馈 补偿模块的输出连接到电容变换模块的输入端，形成反馈结构；
[0005] 所述电容变换模块采用电容积分的形式将所述微弱脉冲电流信号转换为电压信 号；
[0006] 所述反馈补偿模块一方面将电容变换模块输出的电压信号中频率低于设定频率f 的部分进行信号放大后反馈到电容变换模块的输入端，用于将输入到电容变换模块的微弱 脉冲电流信号中的低频成分补偿掉；另一方面，抑制电压信号中频率高于设定频率f的部 分，用于避免电容变换模块的输出饱和；
[0007] 所述零点补偿模块利用零点补偿的方式，扩宽从所述电容变换模块输出信号的带 宽；
[0008] 所述电容变换模块包括运算放大器U1A和电容C1 ;所述运算放大器U1A的反相输 入端为微弱脉冲电流信号的输入端，同相输入端引脚3连接电源地，信号输出端和反相输 入端之间连接电容C1 ;
[0009] 所述反馈补偿模块包括运算放大器U1B、电容C11、电阻R4、R5、R7以及R8 ;算放大 器U1A的输出端串接电阻R5后接运算放大器U1B的正相输入端，反相输入端和电源地之间 连接有电阻R7 ;反相输入端串接电容C11和电阻R8后连接到输出端；输出端串接高阻值的 电阻R4后接到运算放大器U1A的反向输入端，形成电容变换模块的负反馈。
[0010] 较佳的，所述运算放大器U1B的正向输入端和电源地之间连接有电容C9 ;输出端 与电源地之间串接有电阻R6和电容C8组成的低通滤波电路。
[0011] 较佳的，所述电容转换模块与反馈补偿模块采用具有两路运算放大器的0PA2111 芯片。
[0012] 较佳的，运算放大器U1A的电源正端和电源地之间并联电容C2和电容C3,电源负 端和电源地并联连接有电容C5和电容C6。
[0013] 较佳的，所述零点补偿模块采用运算放大器0P27,反向输入端通过电容C4接电容 变换模块的输出端，同相输入端连接电源地，输出端和反相输入端之间串联连接有电阻R1， 电源正端连接+9V，电源负端连接-9V，引脚1、5和8悬空。
[0014] 较佳的，所述设定频率f小于1Hz，电容C1的容值小于500pF，电阻R4的阻值大于 10ΜΩ 0
[0015] 较佳的，电容变换模块中的积分电容和零点补偿模块中的微分电容的比值大于 1:10〇
[0016] 较佳的，所述设定频率f为0. 16Hz，电容C1容值小于10pF，电阻R4阻值高于5GQ。
[0017] 较佳的，电容C1的容值为5Pf，电阻R4阻值为106Ω ;电阻R7的阻值为10ΜΩ，电 容C11的容值为luF，电阻R8的阻值为200ΚΩ，电阻R5的阻值为10M。
[0018] 较佳的，还包括二阶低通滤波模块，采用运算放大器0P27,零点补偿模块的输出端 串接电阻R2和电阻R3后连接运算放大器0P27的输入端；输出端串接电容C10后接到电阻 R2和电阻R3之间，形成反馈；反相输入端和输出端短路连接，正向输入端和电源地之间连 接有电容C7,电源正端连接+9V，电源负端连接-9V。
[0019] 本发明具有如下有益效果：
[0020] (1)本发明的一种高增益低噪音的微弱脉冲电流信号放大电路，充分利用小电容 积分噪声低的优点，设计反馈电路消除小电容积分容易饱和的缺点，再增加后级电路拓展 电路的带宽。该电路结构紧凑、稳定性良好、噪声低，可应用于高增益、高带宽、低噪音的微 弱电流信号检测场合。
[0021] ⑵零点补偿模块利用零点补偿的方式，提升电路的带宽。
[0022] (3)所述两阶低通滤波模块用于滤除输出信号的干扰和噪音，提高输出信号的信 噪比。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的微弱脉冲电流信号放大电路的原理框图。
[0024] 图2为本发明的微弱脉冲电流信号放大电路中的电容转换模块和反馈补偿模块 的电路图。
[0025] 图3为本发明的微弱脉冲电流信号放大电路中的电容转换模块和反馈补偿模块 的原理图。
[0026] 图4为本发明的微弱脉冲电流信号放大电路图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0028] -种高增益低噪音的微弱脉冲电流信号放大电路，包括电容变换模块、反馈补偿 模块、零点补偿模块、两阶低通滤波模块。电容变换模块的输入端连接待检测的装置，输出 端连接到反馈补偿模块的输入端，同时还连接到零点补偿模块的输入端；反馈补偿模块的 输出连接到电容变换模块的输入端形成反馈结构；零点补偿模块的输出连接到两阶低通滤 波模块的输入端；两阶低通滤波模块的输出为调理好的信号。电容变换模块采用电容积分 形式将输入电流信号转换为电压信号。电容积分结构采用的电容容值应小于l〇pF。反馈补 偿模块可以将频率低于特定频率f的信号放大若干倍，而高于该频率f的信号将强烈衰减。
[0029] 将电容变换模块输出信号反馈到输入部分，反馈补偿模块将直流成分和频率低 于f的信号放大，而抑制频率高于f的信号，使得电容变换模块输入部分的直流成分和频率 低于f的信号被反馈补偿掉，而不影响输入信号中频率高于f的信号，从而使得电容变换模 块输出不会达到积分饱和又能有效保证动态响应速度。特定频率f应小于1Hz。
[0030] 采用的运算放大器应为超低偏置输入电流、超低电流噪声、增益带宽积大于1MHz 的运算放大器。零点补偿模块采用电容微分形式进行补偿，反馈回路中连接有高阻值电 阻，提升电路的带宽。微分电容容值应小于500pF，反馈回路中连接的高阻值电阻应大于 10ΜΩ 0
[0031] 电容变换模块中的积分电容和零点补偿模块中的微分电容的比值应大于1:10,从 而保证电路的输出稳定。
[0032] 电路的总体增益A满足:A =微分电容容值+积分电容容值X零点补偿模块中 反馈回路高阻电阻阻值。
[0033] 两阶低通滤波电路采用经典的Sallen-Key电路结构，改变电路中电阻电容参数， 可以使得低通滤波器的截止频率在2KHz和50KHz之间自由选择。
[0034] 零点补偿模块和两阶低通滤波模块采用的运算放大器应为超低偏置输入电压、超 低电压噪声、增益带宽积大于5MHz的运算放大器。
[0035] 考虑到电容变换模块和反馈补偿模块的电路连接关系，将两个模块的连接方式和 工作原理同时阐述。
[0036] 所述的电容变换模块采用电容积分方式，所用的运算放大器为低偏置、低噪声运 放0PA2111。0PA2111内置两路运放，其中一路用于是积分电容变换模块，另一路用于反馈 补偿模块，结合附图2对电路说明如下：所述电容变换模块中，P1为BNC接头，为微弱电流 信号的输入端，BNC接头的信号端连接运放0PA2111的反相输入端引脚2,同相输入端引脚 3连接电源地，引脚6为信号输出端，输出端和反相输入端引脚2连接有电容C1，引脚8连 接+9V，引脚4连接-9V，引脚8和电源地之间还并联连接有两个并联电容C2和C3,用于滤 除电源的波动；引脚4和电源地也并联连接有电容C5和C6。所述反馈补偿模块中，电容变 换模块输出端为反馈补偿模块的输入端，电容变换模块输出端引脚6连接10M电阻R5 - 端，另一端连接0PA2111另一个运放的同相输入端引脚5,引脚5和电源地之间还连接有电 容0. luF的电容C9,与电阻R5组成一阶低通滤波电路；反相输入端引脚6和电源地