【DigiKey创意大赛】快速pA级放大电路

Honghuzaitian

【DigiKey创意大赛】快速pA级放大电路 [复制链接]

 

在进行光电测量时通常需要电流到电压转换的放大器。但是在进行弱光测量时，电流往往非常小，小至nA甚至是pA量级，如果光电信号速度很快，将会对电流放大过程提出一定的挑战，由于放大器件增益带宽积的限制，越快的信号自然放大倍数越小，本次拟制作一个可以对1MHz频率，电流为pA量级的I-V放大器。目前电流放大成电压常用的电路为跨阻放大电路（TIA）。在TIA应用时，由于输入信号是电流，能够应用于这种场合的跨阻放大通常需要具备较低的电流噪声和电压噪声。所以需要FET输入型运放来进行这项工作，其具有输入阻抗大的特点，所以可以降低输入电流噪声。在此次申请时一开始选择了LTC6268作为跨阻放大电路的主运算放大器，后来发现其工作电压只有5V区间，即双向放大时供电电压只有±2.5V，在后级的放大电路设计时使用运放最低是±5V时，该设计需要使用两套供电电路，遂改良设计，将其改为AD8065。该运放的部分参数如下：

 

 

可以看到其输入电流噪声在0.6 fA/√Hz，对于1MHz，噪音也就是0.6 pA，并且该期间输入偏流也是pA量级，放大后的信号也可以通过电容进行隔直选取交流部分进入下一级放大。在电流经过AD8065时，设置跨阻为1MΩ，理论上设计将1pA放大为1uV。

次级放大选用AD797，其主要参数如下：

 

 

虽然其输入偏置电压为uV量级，但是可以通过调节偏置使其回到零点再进行放大，在该放大环节将原先为1 uV的电压放大至0.1 mV，之后再利用一普通的100倍放大器即可将信号放大至10 mV。

在两次放大之后的信号调偏使用的是OP275，其为熟知的低噪声运放，并且刚好为双路运放，可以使用一个器件给两路调节，相关参数如下，感兴趣的朋友可以看看，我就不细展开了：

 

 

接下来就是电路的实际构思以及电路板制作，以下为使用嘉立创EDA画的电路原理图以及PCB图：

 

 

 

上部分为放大电路，下部分为电源供电电路，可以将±15V转化为±12V，因为虽然AD797和OP275可以在±15V工作，但是AD8065最高只能在±12工作。

打好板子之后焊接完必要器件之后如下，其中留的孔洞是为了兼容设计，可以更改电路添加其他器件：

 

其中U1为AD8065，U2为OP275，U3为AD797,将放大电路板放入屏蔽盒中，减弱噪声干扰：

 

 

电源转换板如下：

 

在孔洞上加入led指示电源开关情况，接下来为信号测试，我们利用信号发生器加上一电阻盒来产生1pA的各种波形信号，首先电阻盒外观及内部结构如下：

 

 

 

 

该电阻盒有三个档位，分别为100MΩ、1GΩ和10GΩ，本次使用1mV信号配合1GΩ产生1pA的信号给到放大电路。

实际连线为信号发生器1mV信号->电阻盒1GΩ->前置10⁸倍跨阻放大电路->后置100倍放大->示波器。接下来放上几组测试波形，分别为正弦波、方波和占空比为10%的脉冲信号，幅值为±1mV进电阻盒，相应的原始设置和放大后波形如下：

 

 

   

 

 

虽然基底噪声具有一些低频成分，但是对于MHz频率的pA电流放大效果还是不错的，满足了预期的设计期望。

Jacktang

MHz频率的pA电流放大效果不错，这已经很成功了，赞

lugl4313820

大佬这波操作，确实非常专业。是一个学习的好例程，感谢分享！

吾妻思萌

老大pA的确实不好做啊

Honghuzaitian

吾妻思萌 发表于 2023-12-22 08:14 老大pA的确实不好做啊

慢速的其实很容易，难的是快速的。直流pA测量一个运放就搞定了，其他的就是降噪。但是高速的就要多级放大，前级的对于噪声非常敏感。