本文介紹的設計實例採用不同的方法,利用雙極電晶體、二極體接面方程式(diode junction equation),以及溫度追蹤偏置電流源,提供160dB(100,000,000:1)、具溫度補償的、線性dB增益調節範圍,而且還利用低電平訊號提供良好共模抑制比(CMR)所需的線性光學隔離特性。

該設計的核心是以電流控制對Q1和Q2為中心的U2-C的回饋網路。增益調整VR1在電晶體之間建立一個偏置差分Vb(0~500mV),然後根據常用的二極體方程式得出其發射極電流之間的比:

I2 /I1=10Vb/(2E-4.Ta) (1)

其中Ta = 環境溫度(單位K)。

因此,對於Ta = 300K(即27℃),可透過調節微調電位器VR1來獲得0~166dB的增益範圍(從典型的電晶體公式可知,300K時60mV的差分等於10倍電流。因此,500mV增益控制電壓可調性轉變為10500/60的增益範圍)。

同時,溫度補償由電流源U1的PTAT(與絕對溫度成比例)輸出(300K時為10μA)提供。U1、Q1和Q2應該是熱相關,一起遮罩可能就足夠,但實際的綁定更好,因為電晶體之間的每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、依R6/R5指定的1,000:1(60dB)比例進一步放大,並由LED/光電電晶體對U3-D耦合。將U3-B置於U2-D的回饋環路內,並在類似的偏置電壓和電流水準 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穩定性。

20180720TA01P1 圖1 FemtoAmp的增益範圍為80多dB。

FemtoAmp最初設計用於高性能檢測儀器,檢測由空氣中氡(222Rn)元素放射性衰變產生的1.6×10-15庫侖脈衝(coulomb pulses)。大多數氡探測器不能直接檢測及並對主要Rn衰變計數,而只能依靠主要衰變的「子核原子(daughter atom,亦稱子系原子)」副產物的靜電沉澱。由於子核原子「生長」緩慢,由它們所決定的測定需要數小時才能產生準確的氡濃度測量值,相反,基於本設計實例的儀器包括對檢測脈衝率的採集歷史進行後處理...

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,可以計算去卷積,並除去子核原子的影響,從而在幾分鐘內而不是數小時內產生精確的氡活性測定。

(參考原文:FemtoAmp offers extreme gain range & isolation,by Stephen Woodward)