亚皮安信号电流的放大一直都有设计难度，尤其当放大器的增益调整跨度为多个十倍程时。完成这一设计任务的直接方法通常要用到电位计和太欧（TΩ）反馈电阻，这些电阻的外形尺寸不容易缩小，温度稳定性也不好。本文所介绍的设计实例采用不同的方法，利用双极晶体管、二极管结方程，以及温度跟踪偏置电流源，提供160dB(100,000,000:1)、具温度补偿的线性dB增益调节范围，而且还利用低电平信号提供良好的CMR所需的线性光学隔离特性。
图1：FemtoAmp的增益范围达8 个十倍程。
该设计的核心是以电流控制对Q1和Q2为中心的U2-C的反馈网络。增益调整VR1在晶体管之间建立一个偏置差分Vb（0-500 mV），然后根据常用的二极管方程得出其发射极电流之间的比：
I2 / I1 = 10Vb/(2E-4∙Ta) [1]
其中Ta =环境温度 (单位K)。
因此，对于Ta = 300K (即27℃)，可通过调节微调电位器VR1来获得0 ~ 166 dB的增益范围（从典型的晶体管公式可知，300 K时60mV的差分等于10倍电流。因此，500 mV增益控制电压可调性转变为10500/60的增益范围）。
同时，温度补偿由电流源U1的PTAT（与绝对温度成比例）输出（300 K时为10μA）提供。 U1、Q1和Q2应该是热相关的。一起屏蔽可能就足够了，但实际的绑定更好，因为晶体管之间的每1度温差可能造成大约5％的增益变化。
Q2的输出电流由U2-D、按R6 / R5指定的1000:1（60 dB）比率进一步放大，并由LED /光电晶体管对U3-D耦合。将U3-B置于U2-D的反馈环路内，并在类似的偏置电压和电流水平下操作两个耦合光电对，即可提供良好的线性度，以及时间和温度的校准稳定性。
FemtoAmp最初设计用于高性能检测仪器，检测由空气中氡 (222Rn)元素放射性衰变产生的1.6×10-15库仑脉冲。大多数氡探测器不能直接检测并对主要Rn衰变计数，而只能依靠主要衰变的“子体原子”副产物的静电沉淀。由于子体原子“生长”缓慢，由它们所决定的测定需要数小时才能产生准确的氡浓度测量值。相反，基于本设计实例的仪器包括对所检测的脉冲速率的采集历史进行后处理......
Rn = Pn – Dn-1Rn-1 – Dn-2Rn-2 - … [2]
...其中Di阵列包含由氡子体同位素的衰变速率计算得出的常数，可以计算去卷积，并除去子体原子的影响，从而在几分钟内而不是数小时内产生精确的氡活度测定。
原文刊登在EDN美国网站，参考链接FemtoAmp offers extreme gain range & isolation。
《电子技术设计》2018年7月刊版权所有，禁止转载。
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