[发明专利]超低噪声超高精度二级联配去偏压互阻放大器

说明书

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V_B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V_I输出。但该电压信号V_I上一般额外附含了待测器件上施加的偏压V_B，导致互阻抗放大器输出的电压信号V_I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V_B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V_B从电压信号V_I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V_I；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2V_B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V_out，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I_in，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：

V_out＝2V_B(R1×R3-R2×R4)/[R3(R1+R2)]-IG_TIA(R4/R3+1)

其中，G_TIA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，2V_B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I_in，成为加载到待测器件上的偏压。