[发明专利]跨阻抗放大器

说明书

一种跨阻抗放大器及其配置方法。跨阻抗放大器包括耦合在跨阻抗放大器的输出与跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件。电阻器组件包括具有纵向长度的电阻器、电阻元件和包围着电阻元件的绝缘体。电阻器组件进一步包括：多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围绝缘体；以及电压源，用于向多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中第一电压和第二电压各自源自跨阻抗放大器的输出电压V_out，第一电压占V_out第一比例且第二电压占V_out第二比例。电压源包括用于调节第一比例和/或第二比例中的至少一者的电压控制器。

技术领域

本披露涉及一种跨阻抗放大器、一种用于配置跨阻抗放大器的方法以及一种用于使用跨阻抗放大器的方法。

背景技术

有许多应用需要测量信噪比良好的、跨高动态范围的电流。例如，在同位素比值质谱法中，需要一种具有对高动态范围的信号做出准确响应并且高精度地测量同位素丰度的能力的放大器。在这种应用中，往往有特别严格的要求。放大器必须首先测量相对大的离子电流。此输入信号快速减弱并且几秒后出现相对非常弱的二次离子电流(由低同位素丰度引起)。放大器必须能够处理该第一信号的快速减弱和对相对弱的电流信号进行精确测量两者情况。

为了实现此内容，在以几乎达到放大器的饱和下测量该第一信号之后，放大器需要快速且精确衰减到零(即，至噪声本底)。放大器还需要生成输出信号的最小下冲和过冲，即使毫伏输出范围接近放大器的噪声本底。

可以使用跨阻抗放大器执行这种类型的测量，这些跨阻抗放大器用于执行电流电压转换(“跨阻抗”)。

图1示出了现有技术的跨阻抗放大器100，该放大器包括运算放大器10和连接在运算放大器10的反相输入与运算放大器10的输出之间的反馈电阻器R。在理想情况下，跨阻抗放大器将放大输入电流I并且根据等式：V＝-I*R将其转换成低阻抗输出电压V。

被配置成用于以微微安至毫微微安范围内的小或非常小的输入电流I操作的跨阻抗放大器通常与1E9到1E14欧姆范围内的大的反馈电阻器R一起操作。

当测量非常小的输入电流I时，非常小的电流流过反馈电阻器R并且跨反馈电阻器R产生小的电压降，从而驱动运算放大器10的负输入端子，这样使得输出电压V随着对输入信号I的响应而变化。放大器100的输出电压V通过该反馈电阻器补偿该输入电压并且驱动运算放大器10的输入端子至零伏特。理想的放大器将始终在其两个输入端子之间维持零伏特。

然而，实际上，偏置电流总是叠加在所测量的输入电流I上。如果偏置电流恒定，还存在恒定的电压降。例如，当使用10TΩ的反馈电阻器R时，1fA的偏置电流将引起10mV的电压降。理想地，这种附加电压降应尽可能小，这需要选择具有非常小的偏置电流的运算放大器10。

当设计这种类型的跨阻抗放大器时，应特别注意其稳定性，因为极高的阻抗电阻器展现出易于引起放大器振荡的自电容。实际上，已知的是通过使反馈电阻器R与0.05-0.1pF范围内的小电容器C并联来限制放大器的理论带宽。则反馈电阻器R的时间常数T本身等于T＝R*C，这针对非常高值的反馈电阻器大致是0.5到1秒。

当要求放大器10实现高精度测量时，例如，同位素比值质谱法中大约1ppm(一百万分之一)，反馈电阻器R的固有指数型衰减在本精度下等于以下衰减D：

D＝ln(1E+6)*T＝13.8*T＝大致7至14s。

这种大小的衰减对于实际实验而言可能是合理的，但由于极高阻抗电阻器的性质和所添加的电容器，这种理想的(几)分之一实际上是不可实现的。大多数离散的电子电容器内具有固态电介质并且该电介质的非理想行为(如有限的绝缘电阻(泄漏电流)和极化效应(电介质吸收))排斥使用那些电容器。