一种提高带宽至短波频段且降低噪声的集成运放放大电路制造技术

本发明专利技术公开了一种提高带宽至短波频段且降低噪声的集成运放放大电路，属于高带宽、低噪音前置放大电路技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：负信号输入端Vin-与集成运算放大器OPA的反相输入端V-之间设有相互并联的输入电阻Rin和输入电容Cin，负信号输入端Vin-与输入信号相连，集成运算放大器OPA的反相输入端V-与集成运算放大器OPA的信号输出端Vout之间设有相互并联的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，集成运算放大器OPA的同相输入端V+通过正信号输入端Vin+接地或与参考电位相连。在不考虑所用集成运放增益带宽积影响的前提下，如果Rin´Cin=Rf´Cf，那么放大电路的带宽将为无限大。本发明专利技术结构简单，设计合理，能够同时实现提高带宽和降低噪音的双重效果，具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
【专利说明】
： 本专利技术属于高带宽前置放大电路
，具体涉及一种提高带宽至短波频段且降低 噪声的集成运放放大电路。
技术介绍
当前，随着高速、高精度纳米技术飞速发展，高带宽、低噪音前置放大电路的重要 性日益凸显，如在高速成像扫描隧道显微镜（STM)研发方面。然而，目前的高带宽前置放大 电路存在如下问题：（1)高带宽电路在放大有用信号的同时，必然会将该频段的噪音也一 并放大，造成信噪比下降的恶果，即高宽带与低噪音难以兼容，通常不得不在高带宽与低噪 音之间选择一个折中和妥协；（2)扫描隧道显微镜的反馈电阻很大，通常在1M~1GW之间，目 前带宽的算法为：/B=l/2pRfCf，因此即使反馈电阻自身小到不足lpF的寄生电容Cf也会对 带宽有很大的限制，导致带宽的上限仅在约10kHz或者更低。为此，国际知名刊物《Nature》 甚至在2007的文章Nature450,85 (2007)中发表了一个可以将STM前置放大电路带宽提 高到10MHz的方法。但是该文章并没有给出原子分辨率的图像，说明该电路的信噪比不够 高，即高带宽引入了强噪声。 截止目前，高带宽、低噪音的前置放大电路还没有一个很好的解决方案，成为纳米 科技和高频电路应用等领域的一大难题。在项目批准号为11304082的国家自然科学基金 《超快速扫描隧道显微镜的改进与应用》的支持下，本专利攻克了该难题，并测试到了很好 的实验数据。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种提高带宽至短波频段且降低噪声的集成运 放放大电路，该放大电路的技术方案克服了STM的大反馈电阻难以实现高带宽以及高带宽 势必带来高噪音的难题，同时实现了高带宽、低噪音的理想效果。 本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种提高带宽至短波频段且降低噪声 的集成运放放大电路，其特征在于：负信号输入端Vin_与集成运算放大器0PA的反相输入端 ￥_之间设有相互并联的输入电阻Rin和输入电容Cin，负信号输入端Vin_与输入信号相连，集 成运算放大器0PA的反相输入端V_与集成运算放大器0PA的信号输出端Vwt之间设有相互 并联的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，集成运算放大器0PA的同相输入端V+通过正信号输入端 Vin+接地或与参考电位相连。属于电压并联负反馈的连接方式。 本专利技术所述的一种提高带宽至短波频段且降低噪声的集成运放放大电路，其特征在 于：负信号输入端Vin_与集成运算放大器0PA的反相输入端V_之间设有相互并联的输入电 阻Rin和输入电容Cin，负信号输入端Vin_接地或与参考电位相连，集成运算放大器0PA的反 相输入端V_与集成运算放大器0PA的信号输出端V_之间设有相互并联的反馈电阻R#口 反馈电容Cf，集成运算放大器0PA的同相输入端V+通过正信号输入端Vin+与输入信号相连。 属于电压串联负反馈的连接方式。 进一步限定，所述输入电阻Rin和输入电容Cin的乘积等于反馈电阻Rf和反馈电容 Cf的乘积。此时，在不考虑集成运放增益带宽积影响的前提下，那么放大电路的带宽将为无 限大。 本专利技术结构简单，设计合理，能够同时实现提高带宽和降低噪音的双重效果，具有 很大的应用前景。【附图说明】 图1是本专利技术中并联有输入电容Cin和反馈电容(^的电压并联负反馈放大电路的 原理图，图2是本专利技术对应于图1原理图得到的前置放大电路带宽数据，图3是本专利技术中并 联有输入电容Cin和反馈电容(^的电压串联负反馈放大电路的原理图，图4是本专利技术对应 于图3原理图得到的前置放大电路带宽数据。 其中，1^=2丽，心=10丽，(^=10(^，(^=2(^，所选用的集成运算放大器(^为1'1公 司的OPA627BP。【具体实施方式】 以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本 专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本发 明的范围。 目前，导致低通效果的原因可以大致分为：（1)主动接入滤波电容的主动低通电 路，包括在同相输入端V+和地或参考电位之间接入电容、以及在反相输入端v+和输出端vwt 之间接入电容；（2)被动接入电容的被动低通电路，即不主动在上述位置处接入电容，但是 在上述位置处的电阻或相关器件的寄生电容，即可导致带宽的大幅降低；和（3)主动低通 与被动低通同时存在的电路。 目前被关注到的通常是主动低通电路，但不管是主动低通电路还是被动低通电 路，所选用的带宽计算公式均为：/B=l/2pRC。如文章Nature450,85 (2007)中的描述。 本专利技术关注的是由于扫描隧道显微镜（STM)前置放大电路，其大反馈电阻自身的 寄生电容将导致被动低通电路。在分析该难题的基础上，本专利提出了解决该类问题的普 适性方法、进一步变被动为主动，极大地提高了带宽。同时，本方案不仅没有带来噪音的增 加，甚至降低了噪音。 低通电路及带宽产生的原因是，放大电路输出信号Vwt(f)对输入信号Vin(f)的放 大倍数lUfWJf) |随着频率的增大会逐渐减小；如果某一频率f时的放大倍数减小到 0频率时的0. 707倍，那么该频率点就定义为低通电路的带宽fB。这是由于无论是与反馈电 阻并联的寄生电容Cp、还是人为主动添加的与反馈电阻并联的电容Cf，随着输入信号频率 fj勺增大，C1)或C拍容抗将都会快速减小。因此将导致反馈部分的总阻抗快速降低、放大 倍数lUfVVjf) | = |Rf//ZCf | /Rj^速下降，直至无法正常放大一一即更高频率的输 入信号无法通过，产生低通的效果，并因此得到低通放大电路带宽的公式/B=lA2pRfCf)。 但是上述现有的认识和低通放大电路的带宽计算公式仅意识到了电路的反馈部 分的&和Cf对信号增益的影响，并没有意识到输入部分Rin和Cin对信号增益的影响，因此 是一个不全面的理论。当输入信号经过输入电阻Rin以及与之并联的输入电容Cin时，随着 输入信号频率fj勺增大，CJ勺容抗Zein、以及总输入阻抗|Rin//ZanI将同样会快速减小。 由此产生的总体效果将有可能会减缓信号放大倍数随输入信号频率fin的增大而衰减的速 率，甚至随着输入信号频率fin的增大信号放大倍数也随之增大。 根据：（1)集成运算放大器虚短与虚断的理想特性和（2)欧姆定律、（3)基尔霍夫 电流定律，可得，对于并联电压负反馈的前置放大电路来说，如图1所示，我们可以推出：由此可知，当RinCin=RfCf时，会有：|VQUt (f) /Vin (f) | =Rf/Rin°VQUt (0) /Vin (0)。 即无论f为多大，始终有IVjfWJf) |1_(0)/^(0)，频率€不再是一个影响 信号增益的因素。无论对于输入信号的任何频率，信号的增益|Vwt(f)/Vin(f) |始终与0频 率时的增益Vwt(0)/Vin(0)相同、而没有下降3dB、因此也不再有带宽的概念，输出增益曲线 始终是一条水平的直线，或者说这是最理想的高"带宽"表现。 而且此时，"带宽"也将不再受到公式/B=lA2pRfCf)的限制，大反馈电阻同样可以 实现高带宽，甚至可以为无穷大，外围电路对放大电路带宽的限制降为0。 但实际应用时，由于集成运算放大器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高带宽至短波频段且降低噪声的集成运放放大电路，其特征在于：负信号输入端Vin‑与集成运算放大器OPA的反相输入端V‑之间设有相互并联的输入电阻Rin和输入电容Cin，负信号输入端Vin‑与输入信号相连，集成运算放大器OPA的反相输入端V‑与集成运算放大器OPA的信号输出端Vout之间设有相互并联的反馈电阻Rf和反馈电容Cf，集成运算放大器OPA的同相输入端V+通过正信号输入端Vin+接地或与参考电位相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李全锋，王凯涛，张宗哲，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南;41