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HPLC的电子学系统设计(三)

发布时间:2018-07-01 00:00 作者:中国标准物质网 阅读量:560

5.双端输入的直流差动对数放大器的设计及测试方法

双端输入的对数放大器在高端HPLC仪器中很有用:特别是用光电倍增管做光电转换元件时,被测光信号有时非常微弱,并且光电倍增管的输出阻抗很大,所以要求用高输入阻抗、低噪声、低漂移的直流差动对数放大器与之相匹配。国外许多科技工作者对此做了大量工作。作者为了检测物质对光通量变化在10-11 lm左右的微弱光信号,根据仪器学理论,研制了一种双端输入的直流差动对数放大器,它具有高输入阻抗、低噪声、低漂移、良好的对称性,以及结构简单、成本低、制作方便等优点。经过作者多年使用,证明其性能稳定可靠,能满足各类高要求的场合使用。

作者研制的优质双端输入的直流差动对数放大器,其电路原理图如图3-27所示。

微电流放大器采用高输入阻抗(>5×1011Ω)、低噪声(失调电压≤0.1mV,失调电流≤20pA)、低漂移的FET差分输入的运算放大器APR和APS,以及若干电阻、电容等制作。

(1)对数运算器采用高输入阻抗(>5×1011Ω)、低噪声(失调电压≤0.1mV,失调电流≤20pA)、低漂移的FET差分输入的运算放大器AR、As和一只双三极管S3DG6以及若干电阻、电容等元器件制作。

(2)主放大器采用一只与对数运算器相同的FET差分输入运算放大器和若干电阻、电容等元器件制作。

(3)±12V直流工作电源采用两块集成稳压电路(WB715HB)和电阻、电容制作(图中未绘出)。

该放大器的主要性能技术指标及其测试方法如下。

图3-27 一种适用的双端输入直流差动对数放大器原理图

①输入阻抗:≥1011Ω。

②微电流放大器的灵敏度为3.3×10-4A/V;取样电阻RFR1=RFS1=3.03MΩ。

③对数放大器(含对数运算器和主放大器,以下同)的动态范围。输入差模电压为0~2.997V时,其输出电压Vo仍呈良好的线性;其测试结果见表3-8、表3-9。

表3-8线性范围测试结果

表3-9线性范围测试结果

根据表3-8、表3-9作输出特性曲线如图3-28所示。

图3-28 放大器的输出特性曲线

由图3-28可知,本放大器的线性动态范围达到103以上,并且信号通道和参考通道的对称性很好。

④对数放大器的运算精度(准确度)。切断微电流放大器,在输入端加+VR=+Vs=3.00V,测得输出电压Vo如表3-10。

表3-10 对数放大器的运算精度

表3-10 中V0理是根据李昌厚著的“仪器学理论。

由表3-10可知,本放大器在0~2.0A内对数运算精度≤0.5%(0~0.5%);2.0~3.0A内,对数运算精度≤3.0%(0.8%~3.0%)。

⑤主放大器的线性范围。切断主放大器与对数放大器的连接,主放大器的输入差模信号电压为0.0005~0.700V时,对输出电压V0A3的测试结果如表3-11、表3-12所示。

表3-11主放大器的线性范围测试结果

表3-12 主放大器的线性范围测试结果

根据表3-11、表3-12作输出特性曲线如图3-29所示。

图3-29主放大器的输出特性曲线

由图3-29和表3-11、表3-12可知,主放大器的同向端和反向端的输出特性范围都在1.4×103以上,并且对称性很好。

⑥漂移及测试方法。开机10分钟后,连续1小时,整机漂移≤1.5%/F.S.(即0.075mV);连续8小时,整机漂移≤3.0%/F.S.(即0.15mV)。

⑦噪声≤0.65mV。本放大器具体有以下特点:第一,输入阻抗高,Ri≥5×1011Ω,因此它特别适用于PMT做光电转换元件的场合。第二,电路的输入法是差动的,整个放大器参考和信号通道的放大倍数和动态范围的对称性很好。这一特点,在直流方式检测的各类双光路吸收光谱仪器中特别有用。第三,参考通道和信号通道的电路对称,S3DG6是参数匹配的双三极管,其反向饱和电流ISl=IS2,并且其温度系数相近,所以正确选择主放大器中RT的数值和温度系数,可使式(8)中的与温度无关。即根据RF≥R2+RT和dRt/dT=(R2+RT)/T这两个条件来选择RT,可以使本放大器的对数转换特性(输出特性)和放大系数与温度无关。因此,本放大器的对数运算准确度很高。第四,本放大器中的S3DG6的反向饱和电流IS1和IS2对于主放大器A3而言是共模信号,而A3是一只具有很高共模抑制能力的高输入阻抗、低噪声、低噪声、低漂移的运算放大器,因此,该共模信号被A3抑制掉了,故大大提高了整个电路的稳定性。第五,对数运算电路中采用了RbR、 RbS和RoR、RoS,可以有效地补偿S3DG6的体电阻效应,因此,可以通过认真筛选这些电阻来减少对数运算的误差。

本放大器的制作,应注意以下几点:

(1)因本放大器对外界干扰敏感,要注意屏蔽。我们的实践证明,最好用铜材料制作屏蔽罩,并且将微电流放大器和对数运算器分开屏蔽较好。

(2)为了保证电路的对称性,各元器件的选择都应注意尽量与图3-27的标称值一致口各电阻最好选用精密金属膜电阻。其中AR和AS的输入电阻RR和RS至少应选用准确度为0.1%的精密金属膜电阻。

(3) RbR、RbS、RoR、RoS等电阻,除了应选用精密电阻外,还应满足的要求(rb为S3DG6的体电阻,RR和RS为AR和As的输入电阻),以减少对数运算误差。

(4)在调试过程中,信号源(+VR、+Vs、-VOAR、-VOAS)必须稳定可靠,否则难以得到如期的效果。

(5)微电流放大器的取样电阻RFR和R FS的值应据其输入信号电流的大小来确定。在微光吸收测试中,RFR1和RFS1一般取0.5MΩ~5.0MΩ的精密电阻为宜。若RFR1和RFS1取值过小,则整机灵敏度会降低;若过大,则虽说信号电压增大了,噪声电压也会相应变坏!因此,仍不能提高整机的信噪比(S/N)。

(6)微电流放大器的电容C1和C2,必须选用优质电容,否则噪声电压会变坏。我们的实践证明,选用聚四氟乙烯电容效果很好。

关于使用中的两个问题。

(1)本放大器原则上只适用在输入信号<0的场合,即要求+VR和+Vs都>0!因此,它特别适用于用PMT做光电转换器件的场合。如果VR和Vs都<0,则电路中担任对数运算的双三极管S3DG6不能正常工作,甚至可能被破坏!所以,本放大器若要使用在输入信号>0的场合,则可将三极管作相应的改变,或将进入对数运算器的信号进行倒相,便可达到满足使用要求的目的。

(2)本放大器虽说为双端输入的差动对数放大器,但也可使用在单端输入的场合。此时,只需将某一输入端加某一固定的基准电压即可。但必须注意:不可将任何一输入端直接接地,否则+VR或+VS为零时,整个放大器将不能正常工作。

相关链接:HPLC的电子学系统设计(二)

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