專利名稱：一種空間用微電流放大器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及探測信號放大器，具體地說，本實用新型涉及一種空間
用微電流放大器。
背景技術：
微電流放大器用于放大電流輸出型光電探測器的信號。目前微電流放大 器通常釆用電流-電壓轉換器，用改變反饋電阻的方法增大其量程，如圖1 所示(見參考文獻島津氣相色譜FID微電流放大器及極化電壓源線路板的 剖析，國外分析儀器技術及應用，1992年，第1期，p36-39)。這一方法的 主要缺點是由于不同反饋電阻微電流放大器的建立和穩定需要一定時間，不 適用于探測信號在大量程范圍內快速變化的情況。
增大微電流放大器量程的另一方法是采用多路不同增益的電流-電壓轉 換器，用轉換開關選取一路與光電倍增管連接，對不同量程的輸入信號，選 取不同增益的電流-電壓轉換器，達到擴大量程范圍的目的，如圖2所示見 參考文獻Versatile Plasma Probe, Rev. Sci. Instmm., 1975, 46(5), p592-598 )。 這一方法的主要缺點是在微電流放大器的輸入端使用轉換開關，較易引入干 擾、并降低了電路的可靠性；此外，各路電流-電壓轉換器從開路到穩定工 作仍需一定的穩定時間。并且在上述兩種方法中，為獲得大的放大器量程， 測量更微弱的信號，需增大電流-電壓轉換器的反饋電阻，這將進一步限制 了微電流放大器的帶寬，因此它也不適用于測量快速變化的微弱信號。
發明內容
因此，本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種抗干擾能 力較強、電路可靠性高，并且能夠在大量程范圍內測量快速變化的微弱信號 的空間用樣i電流》丈大器。
為實現上述發明目的，本實用新型提供的空間用微電流放大器包括多 路具有不同增益的微電流放大支路和與之連接的多路電子開關，所述微電流放大支路包括依次連接的光電探測器、匹配電阻和電流-電壓轉換電路。
上述技術方案中，所述匹配電阻阻值比光電^^笨測器的輸出阻抗至少小 兩個量級。
上述技術方案中，所述匹配電阻阻值比電流-電壓轉換電路的輸入阻抗 至少大兩個量級。
上述技術方案中，所述不同微電流放大支路的電流-電壓轉換電路具有 不同的反饋電阻。
上述技術方案中，部分所述微電流放大支路還包括直流放大器，該直 流放大器的輸入端與所述電流-電壓轉換電路的輸出端連接。
上述技術方案中，所述微電流放大支路還包括電壓跟隨器，所述電壓 跟隨器連接在所述微電流放大支路的輸出端。
上述技術方案中，所述多路電子開關與各微電流放大支路的電壓跟隨 器的輸出端連接。
上述技術方案中，所述電流-電壓轉換器包括運算放大器芯片，該運算 放大器芯片的增益帶寬比所述微電流放大器的設計帶寬至少大兩個量級，并且該運算放大器芯片的偏流和失調電壓比運算放大器所要測量的電流和運 算放大器的輸出電壓至少小兩個量級。
上述技術方案中，所述匹配電阻和反饋電阻均采用溫度系數應小于50ppm/℃的金屬膜電阻。
上述技術方案中，所述電子開關還連接計算單元，該計算單元用于為 所述電子開關提供地址碼以決定選通哪一路微電流放大支路。
本實用新型相對于現有技術具有如下技術效果
本實用新型的各電流-電壓轉換器通過匹配電阻與光電探測器連接，同 時對光電探測器的輸出信號進行放大，消除了放大器建立和穩定所需要的時 間和利用轉換開關可能引起的干擾，提高了電路的可靠性。
本實用新型采用電流-電壓轉換器和直流放大器相結合的放大方式，減 小了電路分布電容的影響，在加大微電流放大器量程的同時，也提高了放大 器的帶寬；減小了反饋電阻的阻值，有利于改善電路的溫度系數。同時本實 用新型在信號得到適當放大后，再由電子開關選取一路輸出，減小了對測量 信號的干擾。
本實用新型由單片機判斷所測電流的大小，并給出電子開關地址碼，控制電子開關對信號的選取，實現了探測的自動化。
本實用新型適用于探測微弱信號在大量程范圍內快速變化的場合，特別 是衛星遙感探測的情況，如紫外波段后向散射輻射的衛星測量。
以下，結合附圖來詳細說明本實用新型的實施例，其中
圖l是調節反饋電阻的微電流放大器的原理示意圖2是一種多路選擇的微電流放大器的原理示意圖3是本實用新型一個實施例中的快速寬量程微電流放大器的電路示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步地描述。
如圖3所示，本實施例包括光電探測器1、匹配電阻R1、 R2、電流-電 壓轉換電路(本實施例中主要由運算放大器和反饋電阻組成)、電壓跟隨器 組件2、直流放大器，電子開關3、 AD采集電路4和單片機5。
光電探測器1的微電流輸出經匹配電阻Rl供給一路電流-電壓轉換電 路，經匹配電阻R2供給另一路電流-電壓轉換電路。光電探測器l可采用光 電倍增管或其它電流源的光電探測器，本實施例采用R7111-01光電倍增管。 對^:電流而言，光電倍增管具有高增益、快速、寬量程和線性度好的特點， 是紫外、可見光波段典型的電流輸出型光電探測器。匹配電阻R1、 R2選取 溫度系數小于50ppm/°C的金屬膜電阻，其電阻值應比光電探測器的輸出阻 抗至少小兩個量級，并比電流-電壓轉換電路的輸入阻抗至少大兩個量級， 這樣可以保證光電探測器1的輸出特性不變，并使得兩路電流-電壓轉換器 間能夠有效隔離。對光電倍增管探測器，匹配電阻在幾百千歐姆到幾兆歐姆 間選取，并選取Rl和R2的電阻值相等。
為保證電流-電壓轉換器具有良好的線性，電流-電壓轉換器所采用的運 算放大器芯片的增益帶寬應比^t電流;故大器帶寬至少大兩個量級，而偏流和 失調電壓也應比測量電流和輸出電壓至少小兩個量級。本實施例中，電流-電壓轉換電路包括兩個獨立的電流-電壓轉換器，它們分別由運算放大器Al、 反饋電阻R3和運算放大器A2、反饋電阻R4組成。其運算放大器A1、 A2
均采用.OP17運算放大器，電路形式相同，但反饋電阻R3、 R4不同。OP17 運算放大器的增益帶寬高達30MHz、偏流小于15pA、失調電壓小于0.2mV， 保證了微電流放大器lkHz的帶寬。反饋電阻根據對電流-電壓轉換器放大倍 數的設計要求選取，本實施例選取的兩個獨立的電流-電壓轉換器的放大倍 數相差5倍，反饋電阻R3取為2MQ,而反饋電阻R5取為IOMQ。為保證 放大器具有低的溫度系數，反饋電阻采用金屬膜電阻、溫度系數應小于 50ppm/°C。
電流-電壓轉換電路將光電探測器1輸出的微電流信號轉換為電壓后， 一路電流-電壓轉換器的輸出經電壓跟隨器組件2直接供給電子開關3,另一 路的輸出在經電壓跟隨器組件2供給電子開關3的同時，也供給直流放大器 將電流-電壓轉換器的輸出電壓信號進一步放大后，再經電壓跟隨器組件2 供給電子開關3。本實施例中，為提高微電流放大器的帶寬，適應快速變化 信號的測量能力，微電流放大器采用了電流-電壓轉換器和直流放大器相結 合的放大方式。即放大倍數小的各路電流-電壓轉換器的輸出電壓經過電壓 跟隨器后直接供給電子開關；而放大倍數最大的一路電流-電壓轉換器的輸 出電壓在經過電壓跟隨器供給電子開關的同時，也供給直流放大器將電流-電壓轉換器輸出的電壓信號進一步放大后，再經電壓跟隨器供給電子開關。 這樣減小了電流-電壓轉換器的反饋電阻阻值，增大了微電流放大器帶寬。 有利于在增大微電流放大器量程的同時，提高微電流放大器的帶寬。如當電 流-電壓轉換器的反饋電阻為IOOMQ時，為使放大器的帶寬達到lkHz,要求 分布電容小于1.5pF，這在實際中是較難達到的；而采用IO倍的直流放大器 與電流-電壓轉換器相配合，電流-電壓轉換器的反饋電阻阻值僅需10MQ, 這將大大降低了對電路分布電容的要求，從而提高了微電流放大器的帶寬。
本實施例的直流放大器由運算放大器A3和電阻R5、 R6組成。為保證 整個電路的動態范圍，直流放大器應具有適當的放大倍數，但放大倍數不能 太大，以保證直流放大器有較小的零點漂移；在本電路中取為10倍。為保 證放大器的溫度穩定性電阻R5、 R6采用金屬膜電阻、溫度系數應小于 50ppm/°C，其阻值的選取保證直流放大器放大倍數的實現。為減小直流放大 器的漂移，運算放大器A3采用OP17運算放大器。
電壓跟隨器組件2由三個獨立的電壓跟隨器組成，每個電壓跟隨器均采 用LM158運算放大器構成。電壓跟隨器主要起信號隔離的作用，避免前后 級信號間的干擾。電壓跟隨器組件2的三路電壓輸出經電子開關3選取后，
僅一路供給AD采集電路4進行模數轉換。電子開關3采用ADG509芯片， 該芯片可對四路輸入電壓根據地址碼選取一路輸出，在本例中僅使用其中三 路。電壓跟隨器組件2的R7-R9電阻選用10kQ的電阻。
電子開關3對電壓跟隨器組件2輸出的三路電壓信號的選取由單片機5 提供的地址碼控制。單片機5提供地址碼的原則是使輸出到AD采集電路4 的電壓信號既不飽和、又具有一定的放大倍數。
當采用R7111-01光電倍增管時，本微電流放大器可用于測量lkHz的快 速變化信號，測量最小電流信號為2x1(TVa,動態范圍5xl04,且在 -10°C—-+40°C的溫度變化范圍內，增益的變化<0.5%。
本實用新型中的各匹配電阻阻值， 一般選取相同為宜。本實用新型的光 電探測器通過匹配電阻與電流-電壓轉換器的連接方式，避免使用轉換開關， 各電流-電壓轉換器同時工作，消除了放大器建立和穩定所需要的時間和利 用轉換開關可能引起的干擾，提高了電路的可靠性。
本實施例提供了 一種3路微電流放大器，但本實用新型并不限定為3路， 容易理解，根據本實用新型的構思可以得出多路微電流放大器。
本實用新型的光電探測器還可采用其它類型的電流輸出型探測器，如光 電管等。
權利要求1.一種空間用微電流放大器，包括多路具有不同增益的微電流放大支路和與之連接的多路電子開關，所述微電流放大支路包括依次連接的光電探測器、匹配電阻和電流-電壓轉換電路。
2. 根據權利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述匹配電阻 阻值比光電探測器的輸出阻抗至少小兩個量級；并且所述匹配電阻阻值比電 流-電壓轉換電路的輸入阻抗至少大兩個量級。
3. 根據權利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述不同微電 流放大支路的電流-電壓轉換電路具有不同的反饋電阻。
4. 根據權利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，部分所述微電 流放大支路還包括直流放大器，該直流放大器的輸入端與所述電流-電壓轉 換電路的輸出端連接。
5. 根據權利要求l或4所述的微電流放大器，其特征在于，所述微電 流放大支路還包括電壓跟隨器，所述電壓跟隨器連接在所述微電流放大支 路的輸出端。
6. 根據權利要求5所述的微電流放大器，其特征在于，所述多路電子 開關與各微電流放大支路的電壓跟隨器的輸出端連接。
7. 根據權利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述電流-電 壓轉換器包括運算;^文大器芯片，該運算放大器芯片的增益帶寬比所述微電流 放大器的設計帶寬至少大兩個量級。
8. 根據權利要求3所述的微電流放大器，其特征在于，所述匹配電阻 和反饋電阻均采用溫度系數應小于50ppm/。C的金屬膜電阻。
9. 根據權利要求1所述的微電流放大器，其特征在于，所述電子開關 還連接計算單元，該計算單元用于為所述電子開關提供地址碼以決定選通哪 一路微電流;故大支路。
專利摘要本實用新型提供一種微電流放大器，包括多路具有不同增益的微電流放大支路和與之連接的多路電子開關，所述微電流放大支路包括依次連接的光電探測器、匹配電阻和電流-電壓轉換電路。部分所述微電流放大支路還包括直流放大器，該直流放大器的輸入端與所述電流-電壓轉換電路的輸出端連接。本實用新型具有干擾低、電路可靠性高，能夠在大量程范圍內測量快速變化的微弱信號等優點。
文檔編號G01D5/12GK201181220SQ20082007978
公開日2009年1月14日 申請日期2008年4月7日 優先權日2008年4月7日
發明者呂建工, 張仲謀, 王詠梅, 王永松, 王英鑒, 濟 陳 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心