放大器电路的制作方法

1.本公开涉及一种放大器电路。


背景技术：

2.使用放大器来放大由光电二极管进行光电转换并输出的电信号是已知的(例如，参见专利文献1)。
3.专利文献
4.专利文献1jp 2001-196877 a
5.在诸如浊度计的设备中，从发光源发射的光穿过待测液体，光电二极管对该光进行光电转换并基于其光量输出电信号。从光电二极管输出的电流通常具有极大的动态范围，例如从约10pa(皮安，1pa＝10-12
a)至约1ma(毫安，1ma＝10-3
a)。
6.为了适应如此宽的动态范围，用于放大从光电二极管输出的电信号的常规配置具有复杂且大规模的电路结构，因此需要使用大量昂贵的部件。


技术实现要素：

7.本发明的一个或多个实施例提供了一种可以使用简单结构来扩大动态范围的放大器电路。
8.根据一个或多个实施例的放大器电路包括：运算放大器，该运算放大器具有两个输入端子以及一个输出端子；分压电阻器电路，该分压电阻器电路电连接所述输出端子并且具有分压端子，该分压端子输出通过对所述输出端子的电位进行分压而获得的电位；以及反馈电阻器电路，该反馈电阻器电路电连接所述分压端子以及所述输入端子之一，其中：所述分压电阻器电路包括多个电阻器和开关；并且所述开关可以在所述多个电阻器的多个端子中的与所述分压端子对应的端子之间切换。因此，通过使用开关改变所述分压电阻器电路的电阻，提供了使用廉价且简单的结构而具有大动态范围的放大器电路。
9.在根据一个或多个实施例的放大器电路中，所述分压电阻器电路包括多个开关，并且所述多个开关中的至少一个可以在所述多个开关中的另一个开关与另一个电路元件之间切换。通过这样做，可以使用较少数量的开关将所述分压电阻器电路的电阻切换到各种值。
10.在根据一个或多个实施例的放大器电路中，在所述分压电阻器电路中设置的多个电阻器中的至少两个电阻器串联连接，并且所述多个开关可以在所述至少两个电阻器的连接端子中的与所述分压端子对应的端子之间切换。例如，在所述分压电阻器电路中设置的所述多个电阻器全部串联连接。通过这样做，可以基于串联连接的至少两个电阻器的电阻来切换所述分压电阻器电路的电阻。
11.在根据一个或多个实施例的放大器电路中，所述反馈电阻器电路包括多个电阻器以及能够切换所述反馈电阻器电路的电阻的开关。例如，在所述反馈电阻器电路中设置的所述多个电阻器并联连接。通过这样做，可以抑制增加所述放大器电路的增益的动态范围
所需的高阻电阻器的数量。
12.本发明的一个或多个实施例提供了一种可以使用简单结构来增加动态范围的放大器电路。
附图说明
13.图1是示出了根据一个或多个实施例的放大器电路的配置示例的图。
14.图2是示出了基于图1的放大器电路中的开关切换细节的增益示例的图。
15.图3是示出了根据一个或多个实施例的放大器电路的配置示例的图。
16.图4是示出了基于图3的放大器电路中的开关切换细节的增益示例的图。
17.图5是示出了根据一个或多个实施例的放大器电路的配置示例的图。
18.图6是示出了基于图5的放大器电路中的开关切换细节的增益示例的图。
19.图7是示出了根据比较示例的跨阻放大器的电路配置的图。
20.图8是示出了通过切换图7的跨阻放大器中的反馈电阻器电路来切换增益的配置示例的图。
具体实施方式
21.图7是示出了根据比较示例的跨阻放大器(tia)电路900的电路配置的图。在图7的示例中，运算放大器u1的非反相输入端子(输入端子 )接地，运算放大器u1的反相输入端子(输入端子-)连接光电二极管pd的阴极侧。在图7中，光电二极管pd表示用于输出电流i1的电流源。pd是光电二极管的缩写。
22.运算放大器u1的输出端子连接电阻器rb的一端。电阻器rb的另一端连接电阻器ra的一端并连接电阻器rc的一端。电阻器rc的另一端连接运算放大器u1的反相输入端子，由此构成运算放大器u1的负反馈电路。电阻器ra的另一端接地。在下文中，电阻器rb和电阻器ra也将被称为“分压电阻器电路”。电阻器rc也将被称为“反馈电阻器电路”。在图7的示例中，电阻器rb和电阻器ra可以被称为分压电阻器电路940，电阻器rc可以被称为反馈电阻器电路960。
23.如图7所示，运算放大器u1的输出端子的电位为vout。运算放大器u1的反相输入端子的电位为vi。在如图7所示的负反馈电路中，反馈信号追踪输入信号，在正常状态下，输入信号和反馈信号处于所谓的假想短路状态，就好像它们短接(短路)一样。在假想短路状态下，vi＝0，这是因为运算放大器u1的反相输入端子的电位vi与非反相输入端子的电位(由于接地，为0)之间的电位差为0。
24.在假想短路状态下，运算放大器u1的反相输入端子中的电流输入功率为0。因此，反馈电阻rc中从运算放大器u1的输出端子侧流向反相输入端子侧的电流i3相当于光电二极管pd产生的电流iin(iin＝i3)。因此，电阻器rb和电阻器ra之间的连接端子的电位v1为rc
×
i3＝rc
×
iin。
25.运算放大器u1的输出端子的电位vout用表达式vout＝v1 rb
×
i2表示，其中使用了从输出端子流向电阻器rb的电流i2、电阻器rb以及前述v1。如上所述，因为表达式v1＝rc
×
iin和表达式i2＝i1 i3＝i1 iin成立，所以表达式vout＝rc
×
iin rb
×
(i1 iin)成立。此外，表达式i1＝v1/ra成立。因为表达式v1＝rc
×
iin如上所述成立，以下表达式也成立。
26.vout＝rc
×
iin rb
×
(v1/ra iin)
27.＝rc
×
iin rb
×
(rc/ra
×
iin iin)
28.＝iin
×
(rc
×
(1 rb/ra) rb)
29.因此，tia电路900的增益(gain)由下式(1)表示。
30.增益＝rc
×
(1 rb/ra) rb
ꢀꢀ
(1)
31.例如，当ra＝100ω，rb＝900ω，rc＝1mω(兆欧，1mω＝106ω)时，tia电路900的增益按以下公式计算：
32.增益＝1
×
106×
(1 900/100) 900
33.＝107 900
34.＝10,000,900
35.图8是示出了根据比较示例的放大器电路920的配置的图，在该比较示例中，考虑到光电二极管pd输出的动态范围较宽，可以使用图7中的tia电路中的开关来切换反馈电阻器rc。图8中，电阻r1至r8分别与对应的开关s1至s8串联连接，并将分别串联连接的8组电阻和开关并联连接，起到与图7中的tia电路900的反馈电阻器rc对应的作用。放大器电路920不具有与分压电阻器ra和rb对应的配置。在放大器电路920中，r1是10gω(千兆欧姆，1gω＝109ω)。r2为1gω。r3为100μω。r4为10μω。r5为1μω。r6为100kω(千欧，1kω＝103ω)。r7为10kω。r8为1kω。根据从光电二极管pd输入的电流大小，只有与r1至r8中的任意一个对应的一个开关为on，其电阻用作反馈电阻器rc。放大器电路920的增益是与设置为on的开关串联连接的电阻值。
36.这里，例如，将描述无论输出电流的大小如何，将运算放大器u1的输出端子的电位vout设置为约1v的操作。为此，当输入电流为约100pa时，可以只将开关s1切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。当输入电流为约1na(纳安，1na＝10-9
a)时，只有开关s2导通，其他开关切断。当输入电流为约10na时，可以只将开关s3切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。当输入电流为约100na时，可以只将开关s4切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。当输入电流为约1μa(微安，1μa＝10-6
a)时，可以只将开关s5切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。当输入电流为约10μa时，可以只将开关s6切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。当输入电流为约100μa时，可以只将开关s7切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。当输入电流为约1ma时，可以只将开关s8切换为on，而可以将所有其他开关切换为off。因此，可以通过根据输入电流的大小适当地切换开关s1至s8的on/off来处理输入电流的宽动态范围。
37.然而，由于在市场上难以获取，电阻值超过10mω的电阻器通常极其昂贵。尤其是在需要高精度测量的设备中，需要高精度电阻器并且需要更昂贵的元件。此外，由于模拟开关通常释放泄漏电流，当多个开关s1至s8如图7所示并联连接时，在开关s1至s8中产生的泄漏电流累积以形成大的误差电流。为了高精度地测量例如100pa的微小电流，来自模拟开关的泄漏电流必须限制在非常小的pa等级。这种模拟开关通常很昂贵。此外，由于每个模拟开关必须设置一条控制信号线，因此随着模拟开关数量的增加，电路配置变得更加复杂。
38.将在本发明的一个或多个实施例中描述具有大动态范围的放大器电路的配置，其中可以减少电阻超过10mω的电阻器的数量或者减少释放泄漏电流并且需要安装信号线的模拟开关的数量。
39.图1是示出了根据一个或多个实施例的放大器电路100的配置示例的图。放大器电路100包括分压电阻器电路101、反馈电阻器电路102、运算放大器u1以及光电二极管pd。运算放大器u1具有两个输入端子以及一个输出端子。分压电阻器电路101电连接于运算放大器u1的输出端子与接地端子之间，并且分压电阻器电路101具有分压端子，该分压端子输出通过对输出端子的电位进行分压而获得的电位。在图1的放大器电路100中，分压电阻器电路101包括电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6、电阻器r7、开关s2、开关s3以及开关s4。反馈电阻器电路102电连接分压端子以及运算放大器u1的输入端子之一。在图1的放大器电路100中，反馈电阻器电路102包括电阻器r1、电阻器r2以及开关s1。
40.电阻器r1为10μω。电阻器r2为1kω。电阻器r4为900ω。电阻器r5为90ω。电阻器r6为9ω。电阻器r7为1ω。电阻器r1和r2并联设置，这两者的一端连接运算放大器u1的反相输入端子，另一端连接开关s1。开关s1的一端为开关s2，电阻器r1或电阻器r2通过开关s1的切换操作与开关s2连接。通过切换开关s1，电阻器r1或r2用作上述反馈电阻器电路102。通过切换开关s1选择的反馈电阻器电路102在下文中用“rb”表示。上述电阻器r1、r2以及r4至r7的电阻值只是一个示例，也可以是其他值。
41.电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6以及电阻器r7以此顺序串联连接。电阻器r4未与电阻器r5连接的一端与运算放大器u1的输出端子连接。电阻器r7未与电阻器r6连接的一端接地。
42.上述开关s2的一端与开关s1连接，开关s4或开关s3通过开关s2的切换操作与开关s1连接。开关s4的一端与开关s2连接，电阻器r4的任一端通过开关s4的切换操作与开关s2连接。开关s3的一端与开关s2连接，电阻器r6的任一端通过开关s3的切换操作与开关s2连接。通过以这种方式切换开关s2、s3和s4，运算放大器u1和电阻器r4之间的连接端子、电阻器r4和r5之间的连接端子、电阻器r5和r6之间的连接端子以及电阻器r6和r7之间的连接端子中的任何一个直接与开关s1电连接。也就是说，除了开关s1根据开关s2至s4的切换操作直接连接运算放大器u1的输出端子的情况，电阻器r4至r7的串联被电阻器之间直接连接到开关s1的触点分成两部分，并且用作分压电阻器。下面，通过切换开关s2、s3和s4所选择的分压端子与接地端子之间的电阻用“ra”表示。分压端子与运算放大器u1的输出端子之间的电阻用“rb”表示。
43.图2是示出了图1的放大器电路100中的开关s1、s2、s3、s4的切换细节以及反馈电阻器rc、分压电阻器ra和rb与增益之间的对应关系的图。例如，当范围(range)为“1”时，开关s1设置为“b”。因此，开关s2和电阻器r2(＝1kω)经由开关s1连接，并且rc＝1,000ω。开关s2设置为“a”。开关s4设置为“a”。因此，无论开关s3的设置内容如何，在分压电阻器中，ra变为1,000ω(＝r4 r5 r6 r7)，rb变为0ω。因此，增益为1,000。
44.例如，当范围(range)为“7”时，开关s1设置为“a”。因此，开关s2和电阻器r1(＝10mω)经由开关s1连接，并且rc＝10,000,000ω。开关s2设置为“b”。开关s3设置为“a”。因此，无论开关s4的设置内容如何，在分压电阻器中，ra变为10ω(＝r6 r7)，并且rb变为990ω(＝r4 r5)。因此，增益为1,000,000,990。
45.如图2所示，通过切换开关s1、s2、s3和s4，放大器电路100的增益可以在八级的宽动态范围之间切换：1k、10k、100k、1m、10m、100m、1g和10g。图2中所示的增益包括“900”、“990”或“999”的零头，并且这些零头可以通过校准来校正以使其不为增益误差。在放大器
电路100的示例中，电阻器r1是唯一具有10mω尺寸的电阻器。只有四个开关：s1、s2、s3和s4。因此，放大器电路100可以使用少量的高电阻器和开关来实现从最小增益到最大增益的107的宽动态范围。此外，由于放大器电路100中没有能够同时导通的并联开关，所以开关中产生的泄漏电流不会累积而成为大的误差电流。例如，开关s3和s4由开关s2切换。因此，开关s3和s4不同时导通以防止泄漏电流的积累。因此，根据放大器电路100，提供了使用廉价且简单的结构而具有大动态范围的放大器电路。
46.如上所述，放大器电路100包括：运算放大器u1，该运算放大器u1具有两个输入端子以及一个输出端子；分压电阻器电路101，该分压电阻器电路101电连接运算放大器u1的输出端子并且具有分压端子，该分压端子输出通过对输出端子的电位进行分压而获得的电位；以及反馈电阻器电路102，该反馈电阻器电路102电连接分压端子以及运算放大器u1的输入端子之一。这里，分压电阻器电路101包括多个电阻器以及开关s2至s4。开关s2至s4被配置为能够在多个电阻器的多个端子中的与分压端子对应的端子(电阻器r4至r7中的任何端子)之间切换，使得能够改变分压电阻器的分压比。例如，开关(例如，开关s2至s4之一)可以从电阻器r4至r7中一个的端子切换到电阻器r4至r7中另一个的端子(与分压端子对应的端子)。可以使用开关s2至s4来切换放大器电路100的增益。因此，根据放大器电路100，可以减少昂贵部件的使用，简化电路及其操作控制，并减小印刷电路板的安装区域的尺寸。
47.此外，在放大器电路100中，分压电阻器电路101包括多个开关s2至s4。多个开关中的至少一个(例如，开关s2)可以在多个开关中的另一个开关(例如，开关s3)和另一个电路元件(例如，开关s4)之间切换。在图1的放大器电路100中，开关s2连接开关s1并且可以在两个开关s3和s4之间切换。然而，能够在其他开关之间切换的电路元件不限于开关，并且可以是连接电阻器或多个电路元件的端子等。例如，在下文提到的图3中，开关s4在开关s3和电阻器r5的未连接电阻器r6的端子之间切换，并将它们与运算放大器u1的输出端子连接。在下文提到的图5中，开关s2在开关s3和运算放大器u1的输出端子之间切换，并将它们与开关s1连接。通过以这种方式配置开关使其在包括其他开关的配置之间切换，可以使用少量开关将分压电阻器电路101的电阻切换到各种值。
48.此外，在分压电阻器电路101中设置的多个电阻器中的至少两个电阻器串联连接。多个开关可以在至少两个电阻器的连接端子中的与分压端子对应的端子之间切换。在放大器电路100中，在分压电阻器电路101中设置的多个电阻器r3至r7全部串联连接。因此，可以基于串联连接的至少两个电阻器的电阻来切换所述分压电阻器电路101的电阻。
49.反馈电阻器电路102包括多个电阻器r1和r2，以及能够切换反馈电阻器电路102的电阻的开关s1。例如，如在放大器电路100中所示，反馈电阻器电路102中设置的多个电阻器r1和r2可以并联连接。因此，可以抑制增加放大器电路增益的动态范围所需的例如10mω电阻器的数量。
50.在放大器电路100中，在分压电阻器电路101中设置的多个电阻器全部串联连接，但是本公开不限于这种配置。图3是示出了根据一个或多个实施例的放大器电路120的配置示例的图。放大器电路120包括分压电阻器121、反馈电阻器电路122、运算放大器u1以及光电二极管pd。反馈电阻器电路122包括电阻器r1、电阻器r2以及开关s1。分压电阻器电路121包括电阻器r3、电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6、开关s2、开关s3以及开关s4。图3中的电阻器r1为10mω。电阻器r2为1kω。电阻器r3为900ω。电阻器r4为9.9kω。电阻器r5为99.9kω。
电阻器r6为100ω。通过切换开关s1使电阻器r1或r2用作上述反馈电阻器rc的事实与放大器电路100中的相同。上述电阻器r1至r6的电阻值只是一个示例，也可以是其他值。
51.图3中的电阻器r3、电阻器r4以及电阻器r5的一端都与电阻器r6连接。电阻器r6未与电阻器r3至r5连接的一端接地。
52.图3中的开关s2的一端与开关s1连接，电阻器r3的任一端通过开关s2的切换操作与开关s1连接。开关s3的一端与开关s4连接，电阻器r3或电阻器r4未连接电阻器r6的端子通过开关s3的切换操作与开关s4连接。开关s4的一端连接运算放大器u1的输出端子，开关s3或电阻器r5未与电阻器r6连接的端子通过开关s4的切换操作与运算放大器u1的输出端子连接。通过以这种方式切换开关s2、s3和s4，运算放大器u1的输出端子、电阻器r3和r6之间的连接端子、电阻器r4和r6之间的连接端子以及电阻器r5和r6之间的连接端子中的任何一个直接与开关s1电连接。也就是说，电阻器r3至r6的串联用作上述分压电阻器rb和ra(分压电阻器电路)。
53.图4是示出了图3的放大器电路120中的开关s1、s2、s3、s4的切换细节以及反馈电阻器rc、分压电阻器ra和rb与增益之间的对应关系的图。例如，当范围(range)为“1”时，开关s1设置为“b”。因此，开关s2和电阻器r2(＝1kω)经由开关s1连接，并且rc＝1,000ω。开关s2设置为“a”。开关s3设置为“b”。开关s4设置为“b”。因此，在分压电阻器中，ra变为1,000ω(＝r3 r6)，rb变为0ω。因此，增益为1,000。
54.此外，例如，当范围(range)为“8”时，开关s1设置为“a”。因此，开关s2和电阻器r1(＝10mω)经由开关s1连接，并且rc＝10,000,000ω。开关s2设置为“b”。开关s4设置为“a”。因此，无论开关s3的设置内容如何，在分压电阻器中，ra变为100ω(＝r6)，并且rb变为99,900ω(＝r5)。因此，增益为10,000,099,900。
55.如图4所示，通过切换开关s1、s2、s3和s4，放大器电路120的增益可以在八级的宽动态范围之间切换：1k、10k、100k、1m、10m、100m、1g和10g。图4中所示的增益包括例如“900”、“9,900”或“99,900”的零头，并且这些零头可以通过校准来校正。在放大器电路120的示例中，电阻器r1是唯一具有10mω尺寸的电阻器。只有四个开关：s1、s2、s3和s4。因此，放大器电路120可以使用少量的高电阻器和开关来实现从最小增益到最大增益的107的宽动态范围。此外，由于放大器电路120中没有能够同时导通的并联开关，所以开关中产生的泄漏电流不会累积而成为大的误差电流。因此，根据放大器电路120，提供了使用廉价且简单的结构而具有大动态范围的放大器电路。
56.图5是示出了根据一个或多个实施例的放大器电路140的配置示例的图。放大器电路140包括分压电阻器电路141、反馈电阻器电路142、运算放大器u1以及光电二极管pd。反馈电阻器电路142包括电阻器r1、电阻器r2以及开关s1。分压电阻器电路141包括电阻器r3、电阻器r4、电阻器r5、电阻器r6、电阻器r7、开关s2、开关s3以及开关s4。图5中的电阻器r1为10mω。电阻器r2为1kω。电阻器r3为990ω。电阻器r4为999ω。电阻器r5为110ω。电阻器r6为10ω。电阻器r7为1ω。通过切换开关s1使电阻器r1或r2用作上述反馈电阻器rc的事实与放大器电路100和放大器电路120中的相同。上述电阻器r1至r7的电阻值只是一个示例，也可以是其他值。
57.图5中的电阻器r3和电阻器r4的一端与运算放大器u1的输出端子连接。电阻器r3未与运算放大器u1的输出端子连接的一端与开关s4连接。电阻器r4未与运算放大器u1的输
出端子连接的一端与电阻器r7连接。电阻器r5和电阻器r6的一端连接开关s4，另一端接地。电阻器r7未与电阻器r4连接的一端接地。
58.图5中的开关s2的一端与开关s1连接，运算放大器u1的输出端子或开关s3通过开关s2的切换操作与开关s1连接。开关s3的一端与开关s2连接，电阻器r3与开关s4之间的连接端子或电阻器r4与电阻器r7之间的连接端子通过开关s3的切换操作与开关s2连接。开关s4的一端连接电阻器r3未连接运算放大器u1的输出端子的一端，电阻器r5或电阻器r6通过开关s4的切换操作连接电阻器r3的一端。通过以这种方式切换开关s2、s3和s4，运算放大器u1的输出端子、电阻器r3和r5之间的连接端子、电阻器r3和r6之间的连接端子以及电阻器r4和r7之间的连接端子中的任何一个直接与开关s1电连接。也就是说，电阻器r3至r6的串联用作上述分压电阻器rb和ra(分压电阻器电路)。
59.图6是示出了图5中的放大器电路140中的开关s1、s2、s3、s4的切换细节以及放大器电路140中的反馈电阻器rc、分压电阻器ra和rb与增益之间的对应关系的图。例如，当范围(range)为“1”时，开关s1设置为“b”。因此，开关s2和电阻器r2(＝1kω)经由开关s1连接，并且rc＝1,000ω。开关s2设置为“a”。因此，在分压电阻器中，虽然ra基于开关s3和s4的设置内容而变化，但rb为0ω。因此，增益为1,000。
60.此外，例如，当范围(range)为“8”时，开关s1设置为“a”。因此，开关s2和电阻器r1(＝10mω)经由开关s1连接，并且rc＝10,000,000ω。开关s2设置为“b”。开关s3设置为“b”。因此，无论开关s4的设置内容如何，在分压电阻器中，ra变为1ω(＝r7)，rb变为999ω(＝r4)。因此，增益为10,000,000,999。
61.因此，根据放大器电路140，提供了使用廉价且简单的结构而具有大动态范围的放大器电路。
62.根据上述各配置，通过切换开关，能够实现最小增益与最大增益之间107或更高的动态范围。例如，当通过adc将放大器电路的输出电压作为数字信号输入到诸如pc的信息处理设备或专用单元并且电压值超过或低于预定值时，可以执行开关的切换。具体而言，cpu时刻监控放大器电路的输出电压，在输出电压超过上限值的情况下可以切换到下一个较低的增益范围，并且在输出电压低于下限值的情况下可以切换到下一个较高的增益范围。因此，例如，当将根据一个或多个实施例的放大器电路应用于具有大范围光量的设备(例如浊度计)时，可以在不引起饱和等的情况下在最佳电压范围内测量光量。此外，因为根据上述放大器电路可以处理宽动态范围，所以可以将具有相同设计的放大器电路应用于具有不同范围要求的各种产品。adc是模数转换器的缩写。pc是个人电脑的缩写。
63.尽管本公开仅针对有限数量的实施例进行了描述，但是本领域的技术人员在受益于本公开的情况下将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下可以设计各种其他实施例。因此，本发明的范围应该仅由所附权利要求来限定。
64.100 放大器电路
65.101 分压电阻器电路
66.102 反馈电阻器电路
67.120 放大器电路
68.121 分压电阻器电路
69.122 反馈电阻器电路
70.140 放大器电路
71.141 分压电阻器电路
72.142 反馈电阻器电路
73.900 跨阻放大器电路
74.920 放大器电路
75.940 分压电阻器电路
76.960 反馈电阻器电路