Усиление субпикоамперных токовых сигналов всегда представляет для разработчика сложную задачу, особенно если требуется регулировка усиления, охватывающая несколько декад. Прямой подход к задаче проектирования обычно предполагает использование потенциометров и тераомных резисторов обратной связи, которые не являются ни легко миниатюризируемыми, ни термостабильными. Предлагаемая здесь схема основана на другом подходе, использующем биполярные транзисторы, уравнение p-n перехода и источник тока смещения с температурной компенсацией. Термокомпенсированное устройство обеспечивает диапазон регулировки усиления 160 дБ (100,000,000:1), линейную в дБ регулировочную характеристику, а также линейную оптическую изоляцию для подавления синфазных составляющих низкоуровневых сигналов.
 |
|
| Рисунок 1. | Диапазон коэффициентов усиления фемтоамперметра составляет восемь декад. |
Ядром конструкции является цепь обратной связи усилителя U2C, основу которой составляет управляющая током пара транзисторов Q1 и Q2 (Рисунок 1). Регулировка усиления потенциометром VR1 задает разность смещений VB (0–500 мВ) между транзисторами, которая, в свою очередь, устанавливает соотношение между токами их эмиттеров в соответствии с обычным уравнением диода:
где TA – температура окружающего воздуха в градусах Кельвина.
Таким образом, при TA = 300 K (27 °C) посредством регулировки подстроечного резистора VR1 можно получить диапазон усиления 0 – 166 дБ. (Из классического уравнения транзистора разность 60 мВ при 300 К соответствует 10-кратному увеличению тока. Следовательно, регулировке напряжения управления усилением в пределах 500 мВ соответствует диапазон коэффициентов усиления 10500/60).
При этом обеспечивается температурная компенсация источника U1; его выходной ток пропорционален абсолютной температуре (10 мкА при 300 K). Температуры элементов U1, Q1 и Q2 должны быть максимально близкими друг к другу. Совместного расположения под общим экраном может быть достаточно, но еще лучше фактическое соединение, так как на каждый градус разности температур транзисторов усиление будет изменяться примерно на 5%.
Выходной ток транзистора Q2 дополнительно усиливается усилителем U2D с коэффициентом 1000:1 (60 дБ), определяемым соотношением сопротивлений резисторов R6/R5, подключенных к выходу транзисторной оптопары U3D. Включение оптоизолятора U3B в цепь обратной связи усилителя U2D и работа двух связанных оптопар при одинаковых напряжениях смещения и уровнях тока обеспечивают хорошую линейность и стабильность точности, не зависящие от времени и температуры.
Первоначально фемтоамперметр был применен в уникальном приборе для обнаружения импульсов 1.6 × 10–15 Кл, образующихся при радиоактивном распаде радона (222Rn) в воздухе. Большинство детекторов радона не способно непосредственно обнаруживать и подсчитывать основной распад Rn и вместо этого зависят от электростатического осаждения «дочерних атомов» побочных продуктов основного распада. Из-за медленного «врастания» дочерних атомов на выполнение анализов, необходимых для получения точного измерения концентрации радона, требуются часы. Напротив, в приборах, основанных на описанной здесь идее, реализована постобработка накопленной информации об обнаруженных импульсах:
где массив Di содержит константы, рассчитанные на основе скоростей распада дочерних изотопов радона, которые вычислительным путем подвергают обратной свертке для удаления вклада дочерних атомов, производя точный анализ активности радона за минуты, а не за часы.
