一种微电流放大器的制造方法
【专利摘要】本实用新型属于无机化学仪器分析领域，具体涉及一种微电流放大器。目的在于提供一种用于高分辨率气体同位素质谱计的稳定性高、漂移低、响应快的微电流放大器。该微电流放大器包括接收输入信号的一级放大电路，与一级放大电路相连的二级放大电路，与二级放大电路相连的电压跟随器电路；其中，一级放大电路增益为1010；二级放大电路对一级放大电路放大后的电压信号进行10倍或100倍放大；电压跟随器电路对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态。整个微电流放大器所能分辨的最小电流低于1pA。其微电流测量电路噪声低、漂移小、响应时间短、线性好，满足了高分辨质谱计测量系统控制要求。
【专利说明】—种微电流放大器
【技术领域】
[0001]本实用新型属于无机化学仪器分析领域，具体涉及一种微电流放大器。
【背景技术】
[0002]微电流放大器是各种微电测量仪器的心脏。目前高分辨率气体同位素质谱计测量系统中，接收器接收到的+UF5离子流大小为O?ΙΟρΑ，数据采集卡采集范围为-1OV?+10V，检测限为0.lmV。由于电流过低，必须将接收到的信号进行101°?IO11倍放大，并完成“电流/电压”转换，以满足数据采集系统的要求。
[0003]目前市场上超高增益放大器性能不佳，导致高分辨率气体同位素质谱计精密度受到一定影响，放大器噪声、漂移和响应时间等技术指标达不到要求。针对高分辨率气体同位素质谱计接收器采集的离子流大小和数据采集系统的采集范围，需要设计一款增益为IO11的微电流放大器。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于提供一种用于高分辨率气体同位素质谱计的稳定性高、漂移低、响应快的微电流放大器。
[0005]本实用新型是这样实现的:
[0006]—种微电流放大器，包括接收输入信号的一级放大电路，与一级放大电路相连的二级放大电路，与二级放大电路相连的电压跟随器电路；其中，一级放大电路增益为101° ；二级放大电路对一级放大电路放大后的电压信号进行10倍或100倍放大；电压跟随器电路对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态。
[0007]如上所述的一种微电流放大器，其中:所述一级放大电路包括运算放大器和位于其外围电路的101° Ω高阻，运算放大器为AD515或AD549或BURR — BROWN公司的0PA128。
[0008]如上所述的一种微电流放大器，其中:所述一级放大电路运算放大器型号为AD549S，其同相端接地，反相端架空布线与信号输入线接线端相连。
[0009]如上所述的一种微电流放大器，其中:所述二级放大电路包括运算放大器，其反相输入引脚与输入电压相连，同相输入引脚接地，输出引脚经过第一电阻、第二电阻后接地，反相输入引脚经过输入电阻和第二电阻后接地。
[0010]如上所述的一种微电流放大器，其中:所述电压跟随器电路包括运算放大器，其反相输入引脚与输出引脚相连，输出引脚经过电容后接地，同相输入引脚与一级放大电路输出端相连。
[0011]如上所述的一种微电流放大器，其中:所述二级放大电路为T型网络放大电路。
[0012]如上所述的一种微电流放大器，其中:所述电压跟随器电路中，电容为680PF，运算放大器型号为LM741。
[0013]本实用新型的具有以下显著特点:
[0014]本实用新型提供了一种稳定性高、漂移低、响应快、体积小且价格低廉的微电流放大器，可用于高分辨质谱计中，性能优异。整个微电流放大器所能分辨的最小电流低于IpA。其微电流测量电路噪声低、漂移小、响应时间短、线性好，可满足高分辨质谱计测量系统控制要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型提供的一种微电流放大器结构示意图；
[0016]图2为AD549芯片的引脚不意图；
[0017]图3为二级放大电路；
[0018]图4为电压跟随器电路图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和具体实施例进一步介绍本实用新型提供的一种微电流放大器。
[0020]如图1所不,一种微电流放大器,包括接收输入信号的一级放大电路,与一级放大电路相连的二级放大电路，与二级放大电路相连的电压跟随器电路；其中，一级放大电路包括运算放大器和位于其外围电路的10-Ω高阻，微电流通过一级放大电路完成“电流/电压”转换并进行放大，增益为101°;二级放大电路对一级放大电路放大后的电压信号进行10倍或100倍放大(通过开关控制增益);电压跟随器电路对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，避免“互感现象”发生，保证信号不失真。
[0021]为获得更优的效果，各部分电路优选如下:
[0022]⑴运算放大器的选择
[0023]元件的性能在很大程度上决定着电路的性能，不同功能的电路对电子元器件有不同的要求。微电流放大器电路的最基本要求就是开环输入阻抗要高，特别当输入电流小到PA级时，运算放大器的输入偏置电流应远小于被测电流。因此PA级电流测量所用的运算放大器均采用场效应管作为输入级的运算放大器。首选的运算放大器一般为AD515、AD549及BURR — BROWN公司的0PA128。AD549是具有极低输入偏置电流的单片静电计型运算放大器。为达到高精度的目的，输入偏置电压和输入偏置电压漂移均通过激光调节。这种极低输入电流性能由ADI公司专用的topgate工艺技术完成。输入级具有1015Ω的共模阻抗，其输入电流与共模电压无关。
[0024]AD549S是一种低偏置电流、低噪声、高增益的放大器，它的失调电压和偏置电流比通用型放大器低两个数量级，开环增益和共模抑制比大于90dB，适用于微弱信号的精密测量和运算。选择AD549S作为核心运算放大器，构建其外围电路，使用IOltl高阻完成一级放大电路，增益为101(1。芯片AD549S的引脚结构如图2所示，在第一引脚和第五引脚之间连接IOkQ电阻。
[0025]⑵二级放大电路的设计
[0026]在测量微小电流时，为获得较高的放大器增益，输入电阻Rf必须选取得很大。通常高阻取值要到IOOGQ量级，否则放大器的输出电压就达不到数据采集系统的采集要求。但如果高阻取值太大，则要求放大器的输入阻抗应更大(一般输入阻抗要求比输入电阻大两到三个量级)，否则输入阻抗对信号的分流作用表现明显，这就加大输入偏置电流、失调电压、漂移的影响，产生运算误差。同时，高阻过大将产生较大的对地分布电容，会使放大器的响应时间增长，影响快速变化电流信号的测量。电路中的寄生电容和噪声也将影响测量的精度和稳定性，甚至引起电路产生自激振荡。为此，采用了一种改进电路，即在一级放大后，增加一个二级放大电路(T型网络)。对一级放大后的电压信号在进行10倍或100倍放大(通过开关控制增益)。在高阻较小阻值的同时，可以获得较大的增益。
[0027]二级放大电路结构如图3所示，由第一电阻Rl和第二电阻R2组成T型网络。一级放大电路输出引脚经过第一电阻R1、第二电阻R2后接地，电阻Rf经第二电阻R2后接地，经过第一电阻Rl输出电压。
[0028]⑶电压跟随器电路的设计
[0029]电压跟随器电路输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，因而对前后级起到“隔离”作用。
[0030]若未使用电压跟随器，试验时发现，当两个放大器同时使用时会出现“互感现象”，即一个放大器上输出一个电压信号，另外一个放大器在没有输入信号时也会输出一个成正比关系的电压信号，导致信号失真。在原有电路中增加了一个电压跟随器电路，有效的解决了这一问题。
[0031]电压跟随器电路结构如图4所示，运算放大器反相输入引脚与输出引脚相连，输出引脚经过电容后接地，同相输入引脚与二级放大电路输出端相连，电容可选择680pF，运算放大器型号为LM741。
[0032]⑷电路制作及安装
[0033]当电路设计完成后，另一个制约测量精度的主要因素就是制作和安装工艺。结合仪器的要求，制作电路时对元器件及电路板材料的选择、屏蔽和布线等进行了精心设计。
[0034]①.元器件的稳定性和低噪声对微电流放大器至关重要。因此电路中所用电阻选择温度特性及频率特性均较好的低噪声高精度金属膜电阻(千分之一精度)。为滤波和相位校正引入的电容也会不可避免地带来噪声，因此选择低噪声云母电容和钽电容。高阻选用抗干扰、闻稳定性的真空闻阻。
[0035]②.微电流放大器对电路板的要求非常高，一般的酚醛树脂板(FR-4)漏电流过大，会导致放大器零点过大、稳定性差等问题。因此选用漏电流远小于IpA的高绝缘环氧玻璃板。
[0036]③.该微电流放大器的尺寸设计为50mmX60mm,可放入标准的金属屏蔽盒中，做为一个独立放大单元使用；也可安装在放大器圆盘接线端子上组成放大器群，一个圆盘端子能安装5个微电流放大器，可满足大多数的测量需求(BFQT-6质谱计上使用的便是这种方式)。
[0037]④.在印刷电路的布局布线时，考虑到电磁兼容性(EMC)，布线时尽量减小电源走线的有效包围面积，走线没有分支和缠结，未形成环状；电源及地线回路与信号回路分开。输入线接线端连接在绝缘好、不产生静电以及吸湿性小的聚四氟乙烯接线板上，接线板固定在电路板上。AD549S同相端接地，反相端架空布线与信号输入线接线端相连，这种接线方式可以保证运放的同相与反向端之间漏电流为零，从而减少了漏电流对被测信号的干扰，降低了放大器噪声。运放信号输出端也采用了同样的方式，以减少漏电流对放大电路的干扰。另外信号输入引线采用短而硬的屏蔽导线。整个电路上存在多个接地点，这些多点接地点之间存在一定的电位差，而这些电位差会成为放大电路的干扰信号，因此将电路板设 计成一点接地。
【权利要求】
1.一种微电流放大器，其特征在于:包括接收输入信号的一级放大电路，与一级放大电路相连的二级放大电路，与二级放大电路相连的电压跟随器电路；其中，一级放大电路增益为101° ;二级放大电路对一级放大电路放大后的电压信号进行10倍或100倍放大；电压跟随器电路对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态。
2.根据权利要求1所述的一种微电流放大器，其特征在于:所述一级放大电路包括运算放大器和位于其外围电路的101° Ω高阻，运算放大器为AD515或AD549或BURR — BROWN公司的0PA128。
3.根据权利要求1所述的一种微电流放大器，其特征在于:所述一级放大电路运算放大器型号为AD549S，其同相端接地，反相端架空布线与信号输入线接线端相连。
4.根据权利要求2或3所述的一种微电流放大器，其特征在于:所述二级放大电路包括运算放大器，其反相输入引脚与输入电压相连，同相输入引脚接地，输出引脚经过第一电阻(R1)、第二电阻(R2)后接地，反相输入引脚经过输入电阻(Rf)和第二电阻(R2)后接地。
5.根据权利要求4所述的一种微电流放大器，其特征在于:所述电压跟随器电路包括运算放大器，其反相输入引脚与输出引脚相连，输出引脚经过电容后接地，同相输入引脚与一级放大电路输出端相连。
6.根据权利要求5所述的一种微电流放大器，其特征在于:所述二级放大电路为T型网络放大电路。
7.根据权利要求6所述的一种微电流放大器，其特征在于:所述电压跟随器电路中，电容为680PF，运算放大器型号为LM741。
【文档编号】H03F3/20GK203660994SQ201320891376
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】韩雅琦, 李海军, 阎瑞, 李斌 申请人:四川红华实业有限公司