之间连 接有10ΜΩ电阻R7,引脚6还连接luF电容C11 一端，C11另一端连接有200ΚΩ电阻R8， R8另一端连接到输出端引脚7，引脚7还连接有由电阻R6 (1. 5K Ω )和电容C8 (luF)组成的 低通滤波电路，R6与电容变换模块的输入端（即0PA2111的反相输入端引脚2)还连接有 1〇6Ω的高阻R4,形成负反馈结构。其中，R7、R8与C11组成选频的同相放大电路，高频抑 制，低频放大。
[0037] 下面对电容变换模块和反馈补偿模块的工作原理进行说明。为了简化推导过程， 先假设反馈补偿模块的传递函数为H(s)，输入部分等效输入电容为Ci，结合附图3进行推 导如下：
[0042] 联立上述四个方程可以的到电容变换模块和反馈补偿模块的传递函数为
[0044] 其中A为运算放大器0PA2111的开环增益。反馈补偿的输入为Uin，经过由R9和 C5组成的一阶滤波电路连接到0PA2111的同相输入端，滤波电路截止频率为
[0046] 输出端也连接了由R6和C8组成的一阶滤波器，用于进一步滤除反馈电路中的噪 声和交流成分，其截止频率为
[0048] 结合附图4,推导反馈补偿模块的传递函数，反馈补偿模块满足以下四个式子
[0053] 联立上面四个式子可得
[0055] 转换为频率形式有
[0057] 式（13)表明反馈补偿模块输入信号为直流信号或低频率信号（< 0. 16Hz)时，反 馈网络的输出趋近饱和，输出可以通过高阻R4将电容变换模块中的直流成分补偿掉，使 得积分电容C1不会达到饱和；而对于频率超过0. 16Hz的信号来说，反馈补偿模块的输出衰 减剧烈，当频率超过100Hz时，输出几乎为零，这样就不会影响电容变换模块输入的交流成 分。正是因为反馈补偿模块对直流的导通和对于超过〇. 16Hz信号的强衰减使得电容变换 模块的电容输出不会达到饱和而不影响交流信号。
[0058] 另外，由于电容变换模块采用的是电容积分形式，几乎没有热噪声，这有效地降低 了电路的整体输出噪声。
[0059] 所述的零点补偿模块采用低噪音、高带宽运算放大器0P27,结合附图4对该模块 说明如下：电容变换模块的输出连接到零点补偿模块的输入端，输入端连接l〇〇pF电容C5， 电容另一端连接运放0P27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500ΜΩ电阻R1，引脚7连接+9V，引脚4连 接-9V，引脚1、5、8悬空。零点补偿模块的传递函数可以通过式（14)表达
[0061] 至此，电路的传递函数为
[0063] 由于运放开环增益非常高，可达到106,因此式（15)可以简化为
[0065]当电容变换模块与反馈补偿模块已经说明，信号的频率较高时，H(s)是十分小的， 因此，式（16)可以进一步简化为
[0067] 式（17)表明，当输入的微弱电流信号频率较高时，本发明设计的电路增益仅由 C5、Cl、R1决定，按照附图2和附图4给定的参数，其增益可达到
[0069] 其理论带宽达到无穷大，但由于运算放大器寄生电容和电子器件杂散电容的存 在，实际带宽达不到无穷大，但仍能够在几十千赫兹和几百千赫兹之间，这个增益和带宽能 够满足绝大多数微弱电流检测的场合，适当改变C5、C1、R1的值，还可以的到不同的增益。
[0070] 所述的二阶低通滤波模块采用经典的Sallen-Key电路结构，运算放大器采用 0P27,结合附图4对该模块说明如下：零点补偿模块的输出端连接二阶低通滤波模块的输 入端，输入连接电阻R2 -端，R2另一端连接电阻R3同时还连接电容C10,电阻R3的另一 端连接0P27的同相输入端引脚3,引脚3和电源地之间还连接有电容C7,反相输入端引脚 2和输出端引脚6短路连接，输出端引脚6还连接BNC接头P2,电容C10的另一端连接输出 端引脚6形成反馈；引脚7连接+9V，引脚4连接-9V。二阶低通滤波模块的传递函数如下
[0072] 二阶低通滤波模块截止频率由式（20)决定，按照附图4中给出的参数，该模块的 截止频率为ΙΟΚΗζ。
[0074] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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； 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； 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； 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； 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 ; 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。2. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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。3. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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。4. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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。5. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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。6. 如权利要求5所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，所述设定频率f 小于1Hz，电容Cl的容值小于500pF，电阻R4的阻值大于10ΜΩ。7. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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。8. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，所述设定频率f 为0. 16Hz，电容Cl容值小于10pF，电阻R4阻值高于5GΩ。9. 如权利要求8所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，电容C1的容值 为5Pf，电阻R4阻值为10GΩ;电阻R7的阻值为10MΩ，电容Cl1的容值为luF，电阻R8的 阻值为200ΚΩ，电阻R5的阻值为10M。10. 如权利要求1所述的一种微弱脉冲电流信号放大电路，其特征在于，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CIO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。
【专利摘要】本发明公开了一种高增益低噪音的微弱脉冲电流信号放大电路，采用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；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，反馈补偿模块采用特殊的电路结构，使得反馈信号中频率低于特定频率f的信号放大若干倍，而高于该频率f的信号强烈衰减，以补偿电容变换模块输入部分中的直流成分，防止电容变换模块输出饱和而不影响输入中频率高于f的信号；采用零点补偿模块的输出连接到两阶低通滤波模块的输入端，零点补偿模块用于提升整个电路的带宽。
【IPC分类】H03F1/42, H03F1/26, H03F3/45, H03G3/20
【公开号】CN105375894
【申请号】CN201510646997
【发明人】兰江, 李明勇, 尤兴志, 蔡庸军, 黄启勇
【申请人】中国船舶重工集团公司第七一〇研究所
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年10月9日