亞皮安信號電流的放大一直都有設(shè)計難度,尤其當(dāng)放大器的增益調(diào)整跨度為多個十倍程時。完成這一設(shè)計任務(wù)的直接方法通常要用到電位計和太歐(TΩ)反饋電阻,這些電阻的外形尺寸不容易縮小,溫度穩(wěn)定性也不好。
本文所介紹的設(shè)計實例采用不同的方法,利用雙極晶體管、二極管結(jié)方程,以及溫度跟蹤偏置電流源,提供160dB(100,000,000:1)、具溫度補償?shù)木€性dB增益調(diào)節(jié)范圍,而且還利用低電平信號提供良好的CMR所需的線性光學(xué)隔離特性。
圖1:FemtoAmp的增益范圍達8 個十倍程。
該設(shè)計的核心是以電流控制對Q1和Q2為中心的U2-C的反饋網(wǎng)絡(luò)。增益調(diào)整VR1在晶體管之間建立一個偏置差分Vb(0-500 mV),然后根據(jù)常用的二極管方程得出其發(fā)射極電流之間的比:
I2/ I1= 10Vb/(2E-4?Ta)[1]
其中Ta=環(huán)境溫度 (單位K)。
因此,對于Ta= 300K (即27℃),可通過調(diào)節(jié)微調(diào)電位器VR1來獲得0 ~ 166 dB的增益范圍(從典型的晶體管公式可知,300 K時60mV的差分等于10倍電流。因此,500 mV增益控制電壓可調(diào)性轉(zhuǎn)變?yōu)?0500/60的增益范圍)。
同時,溫度補償由電流源U1的PTAT(與絕對溫度成比例)輸出(300 K時為10μA)提供。 U1、Q1和Q2應(yīng)該是熱相關(guān)的。一起屏蔽可能就足夠了,但實際的綁定更好,因為晶體管之間的每1度溫差可能造成大約5%的增益變化。
Q2的輸出電流由U2-D、按R6 / R5指定的1000:1(60 dB)比率進一步放大,并由LED /光電晶體管對U3-D耦合。將U3-B置于U2-D的反饋環(huán)路內(nèi),并在類似的偏置電壓和電流水平下操作兩個耦合光電對,即可提供良好的線性度,以及時間和溫度的校準(zhǔn)穩(wěn)定性。
FemtoAmp最初設(shè)計用于高性能檢測儀器,檢測由空氣中氡 (222Rn)元素放射性衰變產(chǎn)生的1.6×10-15庫侖脈沖。大多數(shù)氡探測器不能直接檢測并對主要Rn衰變計數(shù),而只能依靠主要衰變的“子體原子”副產(chǎn)物的靜電沉淀。由于子體原子“生長”緩慢,由它們所決定的測定需要數(shù)小時才能產(chǎn)生準(zhǔn)確的氡濃度測量值。相反,基于本設(shè)計實例的儀器包括對所檢測的脈沖速率的采集歷史進行后處理......
Rn= Pn– Dn-1Rn-1– Dn-2Rn-2- … [2]
...其中Di陣列包含由氡子體同位素的衰變速率計算得出的常數(shù),可以計算去卷積,并除去子體原子的影響,從而在幾分鐘內(nèi)而不是數(shù)小時內(nèi)產(chǎn)生精確的氡活度測定。
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原文標(biāo)題:FemtoAmp提供極高的增益范圍和隔離度
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