[發(fā)明專利]一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710317937.5
• 申請(qǐng)日: 2017-05-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107124179A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔智軍;王磊;閻麗平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安康學(xué)院
• 主分類號(hào): H03L7/093
• 分類號(hào): H03L7/093;H03F1/26;H03F1/42
• 代理公司: 西安智萃知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司61221
• 代理人: 張蓓

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器。

背景技術(shù)

自從1988年Hafeman等人將表面光電壓測(cè)量技術(shù)引入電解液/絕緣體/半導(dǎo)體(electrolyte/insulator/semiconductor，簡(jiǎn)稱EIS)結(jié)構(gòu)，首次提出了光尋址電位傳感器(Light-Addressable Potentiometric Sensor，簡(jiǎn)稱LAPS)的概念。由于LAPS是利用光束掃描方式尋址，而不是用固定的電極引線或其他復(fù)雜外電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行尋址，因此只需要一根引線就可以對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，且穩(wěn)定性好，檢測(cè)時(shí)間短；從而滿足化學(xué)傳感器微型化、智能化、多功能化的要求。因此，LAPS已經(jīng)被廣泛用于測(cè)量pH值、氧化還原電位、離子濃度、生物膜電特性的研究、細(xì)菌生長(zhǎng)的檢測(cè)、酶促反應(yīng)及免疫反應(yīng)等。

LAPS傳感器廣泛應(yīng)用的前提是能夠準(zhǔn)確測(cè)量其輸出的微弱光電流信號(hào)。目前，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研制出基于EIS結(jié)構(gòu)的光尋址電位傳感器，而下一步是設(shè)計(jì)一種可用于該傳感器的微弱光電流信號(hào)檢測(cè)裝置。微弱電流信號(hào)的檢測(cè)就是利用電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，分析被測(cè)信號(hào)的特性以及噪聲產(chǎn)生的原因，檢測(cè)出被噪聲淹沒(méi)的微弱信號(hào)。

傳統(tǒng)的從噪聲中提取微弱信號(hào)的有效方法包括窄帶濾波、同步累積、取樣積分、鎖相放大等。其中最常用的是鎖相放大法。

鎖相放大器是以相干檢測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)，主要包括信號(hào)通道1、參考通道2和相敏檢波3等，被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)信號(hào)通道和參考通道后，輸出給相敏檢波模塊；如圖1所示。對(duì)于鎖相放大器，申請(qǐng)?zhí)枮?00510011984.4名稱為小型鎖相放大器的數(shù)字控制電路及方法的發(fā)明專利，應(yīng)用AD630芯片實(shí)現(xiàn)的單項(xiàng)式模擬鎖相放大器。此種類型的模擬鎖相放大器存在溫度漂移等問(wèn)題；申請(qǐng)?zhí)枮?01110236391.3名稱為一種數(shù)字鎖相放大器和數(shù)字鎖相控制方法的發(fā)明專利，為雙相數(shù)字式鎖相放大器，但其需預(yù)知所要采集信號(hào)的頻率。如果輸入信號(hào)頻率變化，就需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整系統(tǒng)的采樣率；申請(qǐng)?zhí)枮?01110029206.3名稱為一種數(shù)字鎖相放大器的發(fā)明專利，采用CORDIC算法產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)，然后通過(guò)乘法器進(jìn)行檢波，且采用IIR濾波器進(jìn)行后級(jí)的低通濾波，可能會(huì)造成信號(hào)的微小振蕩。模擬式鎖相放大器，如果溫度變化會(huì)產(chǎn)生漂移。

對(duì)于商業(yè)化鎖相放大器，目前國(guó)內(nèi)做得比較好的單位是南京大學(xué)，其生產(chǎn)的HB-824型四通道nA級(jí)電流放大器、HB-834型四通道pA級(jí)電流放大器、HB-214型四通道雙相鎖相放大器等系列產(chǎn)品已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微弱電流檢測(cè)領(lǐng)域。而國(guó)外微弱電流檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展水平要比國(guó)內(nèi)先進(jìn)的多，美國(guó)吉時(shí)利(Keithley)儀器公司的6430型亞fA遠(yuǎn)程源表的電流測(cè)量精度為0.4fA。然而這些商業(yè)化產(chǎn)品雖然性能優(yōu)越，但是其體積大、價(jià)格昂貴，難以應(yīng)用于便攜式儀器中。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器，具體為：

一種檢測(cè)微弱光電流信號(hào)的鎖相放大器，包括信號(hào)通道、參考通道和相敏檢波、被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)分別通過(guò)信號(hào)通道和參考通道后，輸出給相敏檢波模塊；還包括低通濾波模塊，相敏檢波模塊輸出給低通濾波模塊；信號(hào)通道包括I/V轉(zhuǎn)換電路、三級(jí)放大電路、交流耦合；I/V轉(zhuǎn)換電路、三級(jí)放大電路和交流耦合順次相連。

交流耦合主要用來(lái)抑制直流誤差，濾除放大器產(chǎn)生的直流偏置。多級(jí)放大電路是為了在保證信號(hào)帶寬的情況下對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行高增益的放大，同時(shí)引入較少的噪聲保證系統(tǒng)的靈敏度。

為了對(duì)信號(hào)更好的進(jìn)行隔離緩沖，減小噪聲干擾：

優(yōu)選的，在I/V轉(zhuǎn)換電路和三級(jí)放大電路之間設(shè)置有電壓跟隨器。

進(jìn)一步優(yōu)選的，電壓跟隨器為高阻抗電壓跟隨器。

在本電路中，由于電壓跟隨器輸入阻抗高，它可以隔離I/V轉(zhuǎn)換輸出的電流對(duì)后面放大電路的影響。輸入阻抗一般為1K歐姆到100K歐姆。

優(yōu)選的，多級(jí)放大電路是兩級(jí)放大電路、三級(jí)放大電路或者是更多級(jí)的放大電路。

進(jìn)一步優(yōu)選的，三級(jí)放大電路包括第一級(jí)放大模塊、第二級(jí)放大模塊、第三級(jí)放大模塊；第一級(jí)放大模塊、第二級(jí)放大模塊和第三級(jí)放大模塊依次連接。

為了濾除高頻噪聲，改善信噪比：

更進(jìn)一步優(yōu)選的，在第一級(jí)放大模塊和第二級(jí)放大模塊之間設(shè)置有低通濾波器。

更進(jìn)一步優(yōu)選的，第一級(jí)放大模塊為低噪聲、低偏置電流的高性能放大器。

這樣的目的是可以減小引入的噪聲，以提高系統(tǒng)靈敏度。