一种运放电路的制作方法

1.本实用电子电路技术领域，尤其涉及一种运放电路。


背景技术：

2.碳基芯片是以碳纳米管、碳化硅石墨烯等材料为核心的芯片。碳基芯片与常规的硅基芯片相比，性能提升10倍以上，具备更优的电子特性，如更快的传输速率。因此，碳基芯片被广泛应用于众多技术领域中。
3.在生物技术领域，碳基生物传感芯片为电流型传感器，其输出电流随检测样品的变化而变化，因此可以根据待检测样品的时间-电流特性来判断检测样品类型，以实现进一步的分析。碳基生物传感芯片的输出电流最大值为2.5ua，正常工作时，输出电流一般在10na～300na，电流信号较小，无法直接被a/d转换器进行处理与应用，且现有的运放电路精度低、噪声高。


技术实现要素：

4.鉴于此，本实用新型实施例提供了一种运放电路，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷，解决由于电流型传感器输出电流信号小，无法直接被a/d转换器进行处理与应用以及现有的运放电路精度低、噪声高的问题。
5.本实用新型的技术方案如下：
6.本实用新型提供一种运放电路，其特征在于，包括：
7.第一级运放电路；所述第一级运放电路的正向输入端连接直流电压，反向输入端连接电流型传感器；第一电容跨接所述第一级运放电路的反向输入端和输出端；第一电阻跨接所述第一级运放电路的反向输入端和第二电阻；所述第二电阻串联在所述第一级运放电路的输出端并与所述第一电容和所述第一电阻连接；
8.第二级运放电路；所述第二级运放电路的正向输入端连接直流电压，反向输入端通过串联的第二电阻和第三电阻与所述第一级运放电路的输出端连接；第四电阻跨接所述第二级运放电路的反向输入端和输出端；
9.第三级运放电路；所述第三级运放电路的正向输入端通过串联的第五电阻和第六电阻与所述第二级运放电路的输出端连接，反向输入端与第三电容连接；所述第三电容跨接所述第六电阻和所述第三级运放电路的输出端；所述第三级运放电路的正向输入端串联第四电容进行接地；
10.第四级运放电路；所述第四级运放电路的正向输入端通过串联的第七电阻和第八电阻与所述第三级运放电路的输出端连接，反向输入端与第五电容连接；所述第五电容跨接所述第八电阻和所述第四级运放电路的输出端；所述第四级运放电路的正向输入端串联第六电容进行接地。
11.在本实用新型的一些实施例中，所述第一级运放电路为跨阻放大电路。
12.在本实用新型的一些实施例中，所述第一级运放电路和所述第二级运放电路的正
向输入端连接2.5v的直流电压。
13.在本实用新型的一些实施例中，所述第二级运放电路为限制幅频失真的运放电路。
14.在本实用新型的一些实施例中，在所述第二级运放电路中，所述第一电阻串联第二电容进行接地，以过滤所述第一级运放电路输出的电压纹波。
15.在本实用新型的一些实施例中，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等，以保持所述第二级运放电路增益为1。
16.在本实用新型的一些实施例中，所述第三级运放电路和所述第四级运放电路构成二阶sk型低通滤波器，以降低所述第一级运放电路和所述第二级运放电路的噪声干扰。
17.在本实用新型的一些实施例中，在所述第三级运放电路中，所述第五电阻、所述第六电阻的阻值以及所述第三电容、所述第四电容的容值由所述第一级运放电路的增益带宽决定。
18.在本实用新型的一些实施例中，在所述第四级运放电路中，所述第七电阻、所述第八电阻的阻值以及所述第五电容、所述第六电容的容值由所述第一级运放电路的增益带宽决定。
19.在本实用新型的一些实施例中，所述第一电容容值设置为20pf、所述第一电阻阻值设置为100ω、所述第二电阻阻值设置为1mω，以将所述第一级运放电路的正向输入端输入的na级的电流信号放大为mv级的电压信号。
20.本实用新型的有益效果至少是：
21.本实用新型提供一种高精度、低噪声的运放电路，该运放电路包括第一级运放电路、第二级运放电路、第三级运放电路和第四级运放电路；其中，第一级运放电路用于将电流型传感器输出的na级的小电流信号放大为mv级的电压信号；第二级运放电路用于对第一级运放电路输出的放大信号进行限制幅频失真处理；第三级运放电路和第四级运放电路用于对第二级运放电路输出的信号进行滤波处理。本实用新型提供的运放电路能够将na级电流型传感器的输出信号放大到可供a/d转换器采集的信号范围，且处理后的信号具备高精度、低噪声、低非线性度的特点。
22.本实用新型的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本实用新型的实践而获知。本实用新型的目的和其它优点可以通过在本公开内容以及附图中具体指出的结构实现到并获得。
23.本领域技术人员将会理解的是，能够用本实用新型实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本实用新型能够实现的上述和其他目的。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本实用新型的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本实用新型的原理。为了便于示出和描述本实用新型的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本实用新型实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：
25.图1为本实用新型一实施例中运放电路的结构示意图。
26.图2为本实用新型一实施例中第一级运放电路和第二级运放电路的结构示意图。
27.图3为本实用新型一实施例中第三级运放电路和第四级运放电路的结构示意图。
28.图4为本实用新型一实施例中包含具体实施参数的运放电路结构示意图。
29.附图标记说明：
30.100：第一级运放电路；
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200：第二级运放电路；
31.300：第三级运放电路；
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400：第四级运放电路；
32.101：第一级运放电路的正向输入端；
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102：第一级运放电路的反向输入端；
33.103：第一级运放电路的输出端；
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104：第一电容；
34.105：第一电阻；
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106：第二电阻；
35.201：第二级运放电路的正向输入端；
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202：第二级运放电路的反向输入端；
36.203：第二级运放电路的输出端；
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204：第三电阻；
37.205：第四电阻；
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301：第三级运放电路的正向输入端；
38.302：第三级运放电路的反向输入端；
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303：第二级运放电路的输出端；
39.304：第五电阻；
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305：第六电阻；
40.306：第三电容；
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401：第四级运放电路的正向输入端；
41.402：第四级运放电路的反向输入端；
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403：第四级运放电路的输出端；
42.404：第七电阻；
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405：第八电阻；
43.406：第六电容。
具体实施方式
44.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本实用新型做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施方式及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。
45.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本实用新型，在附图中仅仅示出了与根据本实用新型的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本实用新型关系不大的其他细节。
46.应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。
47.在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。
48.在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
49.为了解决由于电流型传感器输出电流信号小，无法直接被a/d转换器进行处理与应用以及现有的运放电路精度低、噪声高，本实用新型提出了一种运放电路，如图1所示，该运放电路包括第一级运放电路100、第二级运放电路200、第三级运放电路300和第四级运放电路400，具体包括以下内容：
50.如图2所示，为第一级运放电路100和第二级运放电路200的电路结构图，其中，图2由图1裁剪得到，仅用于对第一级运放电路100和第二级运放电路200的内部元器件作进一
步说明。
51.在第一级运放电路100中，第一级运放电路100的正向输入端101连接直流电压，反向输入端102连接电流型传感器。第一电容104跨接第一级运放电路的反向输入端102和输出端103。第一电阻105跨接第一级运放电路的反向输入端102和第二电阻106。第二电阻106串联在第一级运放电路的输出端103并连接第一电容104和第一电阻105。
52.在一些实施例中，第一级运放电路100为跨阻放大电路，也称为跨阻放大器(trans-impedanceamplifier，tia)。在本实施例中，第一级运放电路的输入为电流型传感器输出的电流信号，输出为电压信号，此时，a＝y(电压)/x(电流)，具有电阻的量纲，所以第一级运放电路为跨阻放大电路。
53.在一些实施例中，第一级运放电路100的正向输入端101连接2.5v直流电压，以将整个运放电路的输出电压控制在2.5v以下，方便a/d转换器采集。其中，a/d转换器是指模拟信号与数字信号之间的转换器，即将模拟信号转换为数字信号。
54.在一些实施例中，第一电容104为保持第一级运放电路100增益宽带要求的电容；第一电阻105为维持第一级运放电路100增益要求的电阻。具体可以理解为：示例性的，本实用新型提供的第一级运放电路能够将直流电流信号放大为100万倍的直流电压信号，电路的宽带为1～28khz，若没有第一电容104，则电流信号通过第一运放电路100时大概率会出现失真情况，即直流信号的放大倍数不是预设的100万倍，因此，第一电容104起保持电路增益稳定的作用；第一级运放电路100为负反馈运放电路，示例性，要求第一级运放电路的输出低于2.5v，输入电流信号最大为2.5ua，根据负反馈运放电路虚短和虚断的特点，可计算出负反馈第一电阻105的值，即第一电阻105决定了第一级运放电路100输出信号的范围大小。
55.在一些实施例中，通过对第一级运放电路100的第一电容104、第一电阻105和第二电阻106设置合适的容值和阻值，即可将输入的na级别的小电流信号放大为mv级别的电压信号。示例性的，第一电容104容值设置为20pf、第一电阻105阻值设置为100ω、第二电阻106阻值设置为1mω。
56.在第二级运放电路200中，第二级运放电路200的正向输入端201连接直流电压，反向输入端202通过串联的第二电阻106和第三电阻204与第一级运放电路100的输出端103连接。第四电阻205跨接第二级运放电路200的反向输入端202和输出端203。
57.在一些实施例中，第二级运放电路为限制幅频失真的运放电路。其中，幅频失真是指放大电路对不同频率的输入信号的放大倍数不同所引起的失真。
58.在一些实施例中，第二级运放电路200的正向输入端201连接2.5v直流电压。
59.在一些实施例中，第一电阻105串联第二电容206进行接地，以过滤第一级运放电路100输出的电压纹波。
60.在一些实施例中，第三电阻204和第四电阻205的阻值相等，以保持第二级运放电路200的增益为1。
61.如图3所示，为第三级运放电路300和第四级运放电路400的电路结构图，其中，图3由图1裁剪得到，仅用于对第三级运放电路300和第四级运放电路400的内部元器件作进一步说明。
62.在第三级运放电路300中，第三级运放电路300的正向输入端301通过串联的第五
电阻304和第六电阻305与第二级运放电路200的输出端203连接，反向输入端302与第三电容306连接。第三电容306跨接第六电阻305和第三级运放电路300的输出端303。
63.第三级运放电路300的正向输入端301串联第四电容307进行接地。
64.在第四级运放电路400中，第四级运放电路400的正向输入端401通过串联的第七电阻404和第八电阻405与第三级运放电路300的输出端303连接，反向输入端402与第五电容406连接。第五电容406跨接第八电阻405和第四级运放电路400的输出端403。
65.第四级运放电路400的正向输入端401串联第六电容407进行接地。
66.在一些实施例中，第三级运放电路300和第四级运放电路400构成二阶sk型低通滤波器，以降低第一级运放电路100和第二级运放电路200的噪声干扰。
67.在一些实施例中，在第三级运放电路300中，第五电阻304、第六电阻305的阻值以及第三电容306、第四电容307的容值由第一级运放电路100的增益带宽决定.
68.在一些实施例中，在第四级运放电路中，第七电阻404、第八电阻405的阻值以及第五电容406、第六电容407的容值由第一级运放电路100的增益带宽决定。
69.下面结合一具体实施例对本实用新型的运放电路作进一步说明，如图4所示：包括第一级运放电路、第二级运放电路、第三级运放电路和第四级运放电路。
70.在第一级运放电路中，正向输入端连接2.5v直流电压，将整个运放电路的输出电压控制在2.5v以下，便于a/d转换器采集。第一电容记作c1，容值设置为20pf，跨接反向输入端和输出端；第一电阻记作r1，阻值设置为1mω，跨接反向输入端和第二电阻；第二电阻记作r2，阻值设置为100ω，串联在输出端并连接第一电容c1和第一电阻r1。第一级运放电路将na级的电流信号放大为mv级的电压信号。
71.在第二级运放电路中，正向输入端连接2.5v直流电压；第三电阻和第四电阻分别记作r3和r4，阻值均设置为1mω，以保证第二级运放电路的放大倍数为1，即增益为1。第二电容记作c2，容值设置为100nf，用于过滤第一级运放电路输出的电压纹波。
72.在第三级运放电路和第四级运放电路中，第五电阻、第六电阻、第七电阻和第八电阻分别记作r5、r6、r7和r8，根据第一级运放电路的增益带宽，阻值均设置为1kω；第三电容、第四电容、第五电容和第六电容分别记作c3、c4、c5和c6，根据第一级运放电路的增益带宽，容值均设置为0.1uf。第三级运放电路和第四级运放电路构成二阶sk型低通滤波器，以降低第一级运放电路和第二级运放电路输出的噪声。
73.基于该具体实施例进行测验，测验结果表明，本实用新型提供的运放电路可以将na级小电流信号放大为mv级电压信号，且可将噪声抑制在1na范围内，保证最终输出给a/d转换器的信号具有高精度、高放大倍数、低噪声、低非线性度的特点。
74.综上所述，本实用新型提供一种高精度、低噪声的运放电路，该运放电路包括第一级运放电路、第二级运放电路、第三级运放电路和第四级运放电路；其中，第一级运放电路用于将电流型传感器输出的na级的小电流信号放大为mv级的电压信号；第二级运放电路用于对第一级运放电路输出的放大信号进行限制幅频失真处理；第三级运放电路和第四级运放电路用于对第二级运放电路输出的信号进行滤波处理。本实用新型提供的运放电路能够将na级电流型传感器的输出信号放大到可供a/d转换器采集的信号范围，且处理后的信号具备高精度、低噪声、低非线性度的特点。
75.这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的
所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。
76.描述组合的术语“基本由
…
构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其它元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。
77.多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其它的元件、成分、部件或步骤。
78.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型实施例可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种运放电路，其特征在于，包括：第一级运放电路；所述第一级运放电路的正向输入端连接直流电压，反向输入端连接电流型传感器；第一电容跨接所述第一级运放电路的反向输入端和输出端；第一电阻跨接所述第一级运放电路的反向输入端和第二电阻；所述第二电阻串联在所述第一级运放电路的输出端并与所述第一电容和所述第一电阻连接；第二级运放电路；所述第二级运放电路的正向输入端连接直流电压，反向输入端通过串联的第二电阻和第三电阻与所述第一级运放电路的输出端连接；第四电阻跨接所述第二级运放电路的反向输入端和输出端；第三级运放电路；所述第三级运放电路的正向输入端通过串联的第五电阻和第六电阻与所述第二级运放电路的输出端连接，反向输入端与第三电容连接；所述第三电容跨接所述第六电阻和所述第三级运放电路的输出端；所述第三级运放电路的正向输入端串联第四电容进行接地；第四级运放电路；所述第四级运放电路的正向输入端通过串联的第七电阻和第八电阻与所述第三级运放电路的输出端连接，反向输入端与第五电容连接；所述第五电容跨接所述第八电阻和所述第四级运放电路的输出端；所述第四级运放电路的正向输入端串联第六电容进行接地。2.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，所述第一级运放电路为跨阻放大电路。3.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，所述第一级运放电路和所述第二级运放电路的正向输入端连接2.5v的直流电压。4.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，所述第二级运放电路为限制幅频失真的运放电路。5.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，在所述第二级运放电路中，所述第一电阻串联第二电容进行接地，以过滤所述第一级运放电路输出的电压纹波。6.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等，以保持所述第二级运放电路增益为1。7.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，所述第三级运放电路和所述第四级运放电路构成二阶sk型低通滤波器，以降低所述第一级运放电路和所述第二级运放电路的噪声干扰。8.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，在所述第三级运放电路中，所述第五电阻、所述第六电阻的阻值以及所述第三电容、所述第四电容的容值由所述第一级运放电路的增益带宽决定。9.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，在所述第四级运放电路中，所述第七电阻、所述第八电阻的阻值以及所述第五电容、所述第六电容的容值由所述第一级运放电路的增益带宽决定。10.根据权利要求1所述的运放电路，其特征在于，所述第一电容容值设置为20pf、所述第一电阻阻值设置为100ω、所述第二电阻阻值设置为1mω，以将所述第一级运放电路的正向输入端输入的na级的电流信号不失真地放大为mv级的电压信号。

技术总结
本实用新型提供一种运放电路，包括：第一级运放电路、第二级运放电路、第三级运放电路和第四级运放电路；其中，第一级运放电路用于将电流型传感器输出的nA级的小电流信号放大为mV级的电压信号；第二级运放电路用于对第一级运放电路输出的放大信号进行限制幅频失真处理；第三级运放电路和第四级运放电路用于对第二级运放电路输出的信号进行滤波处理。本实用新型提供的运放电路能够对nA级电流信号进行放大，且具备高精度、低噪声、低非线性度的特点。点。点。


技术研发人员：彭立峰
受保护的技术使用者：湖南元芯传感科技有限责任公司
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/9/16