[发明专利]一种高增益低噪音的微弱脉冲电流信号放大电路

说明书

技术领域

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、离子迁移谱、扫描隧道电镜等微弱电流信号放大的场合。

背景技术

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

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。

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；

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。

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。

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OPA2111芯片。

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。

较佳的，所述零点补偿模块采用运算放大器OP27，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。

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10MΩ。

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。

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5GΩ。

较佳的，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C11的容值为1uF，电阻R8的阻值为200KΩ，电阻R5的阻值为10M。

较佳的，还包括二阶低通滤波模块，采用运算放大器OP27，零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OP27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。

本发明具有如下有益效果：