[发明专利]一种检测微弱光电流信号的锁相放大器

说明书

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种检测微弱光电流信号的锁相放大器。

背景技术

自从1988年Hafeman等人将表面光电压测量技术引入电解液/绝缘体/半导体(electrolyte/insulator/semiconductor，简称EIS)结构，首次提出了光寻址电位传感器(Light-Addressable Potentiometric Sensor，简称LAPS)的概念。由于LAPS是利用光束扫描方式寻址，而不是用固定的电极引线或其他复杂外电路结构进行寻址，因此只需要一根引线就可以对多个点进行测量，且稳定性好，检测时间短；从而满足化学传感器微型化、智能化、多功能化的要求。因此，LAPS已经被广泛用于测量pH值、氧化还原电位、离子浓度、生物膜电特性的研究、细菌生长的检测、酶促反应及免疫反应等。

LAPS传感器广泛应用的前提是能够准确测量其输出的微弱光电流信号。目前，实验室已经成功研制出基于EIS结构的光寻址电位传感器，而下一步是设计一种可用于该传感器的微弱光电流信号检测装置。微弱电流信号的检测就是利用电子技术和信号处理技术，分析被测信号的特性以及噪声产生的原因，检测出被噪声淹没的微弱信号。

传统的从噪声中提取微弱信号的有效方法包括窄带滤波、同步累积、取样积分、锁相放大等。其中最常用的是锁相放大法。

锁相放大器是以相干检测技术为基础，主要包括信号通道1、参考通道2和相敏检波3等，被测信号和参考信号分别通过信号通道和参考通道后，输出给相敏检波模块；如图1所示。对于锁相放大器，申请号为200510011984.4名称为小型锁相放大器的数字控制电路及方法的发明专利，应用AD630芯片实现的单项式模拟锁相放大器。此种类型的模拟锁相放大器存在温度漂移等问题；申请号为201110236391.3名称为一种数字锁相放大器和数字锁相控制方法的发明专利，为双相数字式锁相放大器，但其需预知所要采集信号的频率。如果输入信号频率变化，就需要动态调整系统的采样率；申请号为201110029206.3名称为一种数字锁相放大器的发明专利，采用CORDIC算法产生对应的参考信号，然后通过乘法器进行检波，且采用IIR滤波器进行后级的低通滤波，可能会造成信号的微小振荡。模拟式锁相放大器，如果温度变化会产生漂移。

对于商业化锁相放大器，目前国内做得比较好的单位是南京大学，其生产的HB-824型四通道nA级电流放大器、HB-834型四通道pA级电流放大器、HB-214型四通道双相锁相放大器等系列产品已经被广泛应用于微弱电流检测领域。而国外微弱电流检测领域的发展水平要比国内先进的多，美国吉时利(Keithley)仪器公司的6430型亚fA远程源表的电流测量精度为0.4fA。然而这些商业化产品虽然性能优越，但是其体积大、价格昂贵，难以应用于便携式仪器中。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，具体为：

一种检测微弱光电流信号的锁相放大器，包括信号通道、参考通道和相敏检波、被测信号和参考信号分别通过信号通道和参考通道后，输出给相敏检波模块；还包括低通滤波模块，相敏检波模块输出给低通滤波模块；信号通道包括I/V转换电路、三级放大电路、交流耦合；I/V转换电路、三级放大电路和交流耦合顺次相连。

交流耦合主要用来抑制直流误差，滤除放大器产生的直流偏置。多级放大电路是为了在保证信号带宽的情况下对电压信号进行高增益的放大，同时引入较少的噪声保证系统的灵敏度。

为了对信号更好的进行隔离缓冲，减小噪声干扰：

优选的，在I/V转换电路和三级放大电路之间设置有电压跟随器。

进一步优选的，电压跟随器为高阻抗电压跟随器。

在本电路中，由于电压跟随器输入阻抗高，它可以隔离I/V转换输出的电流对后面放大电路的影响。输入阻抗一般为1K欧姆到100K欧姆。

优选的，多级放大电路是两级放大电路、三级放大电路或者是更多级的放大电路。

进一步优选的，三级放大电路包括第一级放大模块、第二级放大模块、第三级放大模块；第一级放大模块、第二级放大模块和第三级放大模块依次连接。

为了滤除高频噪声，改善信噪比：

更进一步优选的，在第一级放大模块和第二级放大模块之间设置有低通滤波器。

更进一步优选的，第一级放大模块为低噪声、低偏置电流的高性能放大器。

这样的目的是可以减小引入的噪声，以提高系统灵敏度。