利用低電平信號(hào)提供良好的CMR所需的線(xiàn)性光學(xué)隔離特性

亞皮安信號(hào)電流的放大一直都有設(shè)計(jì)難度，尤其當(dāng)放大器的增益調(diào)整跨度為多個(gè)十倍程時(shí)。完成這一設(shè)計(jì)任務(wù)的直接方法通常要用到電位計(jì)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(jì)實(shí)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(bǔ)償?shù)木€(xiàn)性dB增益調(diào)節(jié)范圍，而且還利用低電平信號(hào)提供良好的CMR所需的線(xiàn)性光學(xué)隔離特性。

圖1：FemtoAmp的增益范圍達(dá)8 個(gè)十倍程。

該設(shè)計(jì)的核心是以電流控制對(duì)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(gè)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(duì)于Ta= 300K (即27℃)，可通過(guò)調(diào)節(jié)微調(diào)電位器VR1來(lái)獲得0 ~ 166 dB的增益范圍（從典型的晶體管公式可知，300 K時(shí)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(shí)，溫度補(bǔ)償由電流源U1的PTAT（與絕對(duì)溫度成比例）輸出（300 K時(shí)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(shí)際的綁定更好，因?yàn)榫w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(jìn)一步放大，并由LED /光電晶體管對(duì)U3-D耦合。將U3-B置于U2-D的反饋環(huán)路內(nèi)，并在類(lèi)似的偏置電壓和電流水平下操作兩個(gè)耦合光電對(duì)，即可提供良好的線(xiàn)性度，以及時(shí)間和溫度的校準(zhǔn)穩(wěn)定性。

FemtoAmp最初設(shè)計(jì)用于高性能檢測(cè)儀器，檢測(cè)由空氣中氡 (222Rn)元素放射性衰變產(chǎn)生的1.6×10-15庫(kù)侖脈沖。大多數(shù)氡探測(cè)器不能直接檢測(cè)并對(duì)主要Rn衰變計(jì)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(zhǎng)”緩慢，由它們所決定的測(cè)定需要數(shù)小時(shí)才能產(chǎn)生準(zhǔn)確的氡濃度測(cè)量值。相反，基于本設(shè)計(jì)實(shí)例的儀器包括對(duì)所檢測(cè)的脈沖速率的采集歷史進(jìn)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(jì)算得出的常數(shù)，可以計(jì)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(shí)內(nèi)產(chǎn)生精確的氡活度測(cè)定。