《离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计.doc（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计The Design of the Low-noise Ultralow-Current Amplifier for Ion Mobility Spectrometry 系（院）名称： 电子信息与电气工程系 专业班级： 电子信息工程专业 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 副教授 2009 年 5 月II目录摘要：I AbstractII引言1第一章 离子迁移谱简介21.1离子迁移谱的特点21.2 IMS技术发展趋势2第二章 总体设计42.1设计思想42.2方案论证42.3器件选型52.4 AD549的引脚及特性参数6第三章 详细设计103.1电路设计
2、103.2部分反馈时电路原理图14第四章 仿真结果分析174.1仿真软件简介174.2 Muhisim仿真184.3有分压电路时244.3.1分别讨论分压系数n取不同值时的仿真情况244.3.2分压系数n取20时274.2.3分压系数n取40时28结论32致谢33参考文献34离子迁移谱的低噪声微电流放大器设计 专业：电子信息工程 学生姓名：樊成攀指导教师：姚琏 职称：副教授 摘要：在离子迁移谱（Ion mobility spectrometry，IMS）中，低噪声微电流放大器处于系统前端位置，高性能微电流放大器在离子迁移谱等分析仪器中显得尤为重要。低噪声微电流放大器对微弱信号的采集与放大起着决
3、定性作用。对于输入信号是PA级的微电流信号，首先要求低噪声微电流放大器有V/A 的放大能力，普通放大很难达到此要求；另外要求放大器的时间常数T小于等于50us，因为放大电路的时间常数越大，电路的通频带会变窄，导致分辨率下降。为了满足放大倍数与提高分辨率的需要，研制合适的宽频带、高性能的低噪声微电流放大器，已经成为离子迁移谱系统设计中的重点技术之一。设计过程中对全反馈放大器与部分反馈放大器的时间常数做了比较，仿真结果表明，部分反馈式放大电路的时间常数比全反馈式放大电路的时间常数要小，从而展宽了电路通频带，有效地提高了放大器的分辨率。通过Multisim仿真软件，对所设计的全反馈式放大器与部分反馈
4、式放大器的仿真与测试，从测试结果选择出了通频带较宽的低噪声微电流放大器。通过仿真的方式来看出时间常数变小后输出波形改善情况。关键词：离子迁移谱；通频带；部分反馈；微电流放大器；MultisimThe Design of the Low-noise Ultralow- Current Amplifier for Ion Mobility Spectrometry Abstract: In Ion Mobility Spectrometry (Ion mobility spectrometry, IMS), the low-noise Ultralow -current amplifier is
5、in front-end position of the system ,so high-performance Ultralow-current amplifier appears particularly important in Ion Mobility Spectrometry. Low-noise Ultralow -current amplifier plays a decisive role to enlarge and collection for Ultralow signal. As the input signal level is a signal ultralow-c
6、urrent, first of all, low-noise Ultralow -current amplifier are ablity to enlarge at V / A and an Ordinary amplifier is very hard to meet the requirement ; In addition ,the requirements of the amplifier time constant T are less than or equal 50us, because the amplifier time constant T are greater, t
7、he circuit wideband are narrower, resulting the circuits resolution are decreased. Therefore, developing a low-noise Ultralow-current amplifier with a suitable wideband, high-performance , has become a one of the core technology in system design in order to meet the needs and improve amplifiers reso
8、lution. In the design process, the simulation results show that some feedback amplifiers time constant is smaller than full feedback amplifier which is broadening wideband circuit and improving the resolution of the amplifier effectively. The circuit designed for two kind of circuit is simulated and
9、 tested by the multisim simulation software. According to the test results ,the low-noise Ultralow-current amplifier with more wideband can be selected from the results . Multisim simulation can be seen through: the amplifier output waveform will be better when the time constant becoming smaller. Ke
10、y words: Ion Mobility Spectrometry; wideband;some feedback;Ultralow-current amplifier; Multisim引言离子迁移谱（Ion mobility spectrometry，IMS）特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测，如化学战剂 毒品、爆炸物、和大气污染物 等，已经广泛地应用在机场安检和战地勘查，并在环境监测、工业生产等方面有应用。随着IMS技术在各个领域越来越广泛的应用需求，高性能微电流放大器在离子迁移谱等分析仪器中具有很重要的作用。放大电路是IMS的关键部件，其性能对整个系统的影响很大。转换系数和抗干
11、扰性能影响检出限和灵敏度；时间常数过大，会导致信号展宽、分辨率下降.目前常见的放大器不能满足IMS的要求，主要问题在于噪声系数和时间常数不能满足要求。所以高性能、高稳定性放大器的研制很有必要。通过多方面分析与比较后，确定用AD549LH作为离子迁移谱中的低噪声微电流放大器设计中的核心部件，最终满足低噪声微电流放大器设计中放大倍数为A=108109VA、T=50s、输出10mV技术参数的要求。在离子迁移谱中，低噪声微电流放大器处于检测信号的输入端，高性能微电流放大器在检测与放大信号方面有举足轻重的地位，同样在离子迁移谱分析仪器中显得尤为重要。在对微弱信号的采集与放大起着主要作用。另外还要求噪声信
12、号的增益控制在S/N=20dB以及时间常数T=50us。将采集到的微弱信号放大倍，提供足够的幅度，为后级电路的正常运行提供前提条件。低噪声微电流放大器的性能是离子迁移谱系统的核心之一，为了提高放大器的分辨率、展宽通频带基，采用了特种放大器AD549LH芯片为核心设计的低噪声微电流放大器能解决这个问题。由于电子工程师仿真工作室（Electronics Workbench，EWB）采用直观的图形界面创建电路：在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。另外，Multis
13、im 是一个专门用于电子线路仿真和设计的EDA工具软件，Multisim电子电路全功能模拟测试仿真软件，是一套完整的系统设计工具。基于EWB、multisim这些软件的特点，对模拟电路与数字电路中所学电路的可行了仿真与测试，通过对电路的分析与软件的使用，可以提高实际操作及以所学知识的运用能力。因此通过模拟仿真的方式来看出时间常数变小后输出波形改善情况。第一章 离子迁移谱简介1.1离子迁移谱的特点离子迁移谱(IMS)最初是作为化学实验室分析技术发展起来的。近年来，这一技术日臻完善，目前已经应用在多个领域，其中包括国家军事领域的化学战剂监测，各级安全部门的爆炸物监测，海关和机场人口安检部门对毒品、
14、麻醉剂等违禁物品的监测以及环境监测部门对有毒有害气体的监测。随着应用范围的拓宽，IMS技术引起了世界各国专家的研究兴趣，因此使得这一技术不断得到更新和发展。海军未来新型舰艇的发展方向是装备集体防护系统或有限区域集体防护系统，以解决在核生化作战条件下的防护问题。舰艇集体防护系统的对多种类型毒剂探测报警仪器是舰艇防化作业环节中重要的一环，因为它要为防护指明时机，即在适当的时机启动或关闭防护系统，并为舰艇洗消、救护指明方向和提供依据。离子迁移谱是一种气相分析技术，用于分析化学已有30多年的历史，但直到最近几年才取得真正的进展，并进入实用的阶段，成为对痕量有机化合物进行有效而灵敏分析的重要方法之一川。
15、它的检测原理是首先将样品分子电离形成产物离子，产物离子随之注入均匀电场中迁移。离子的迁移率和其质量、尺寸和所带电荷有关，不同物质形成的产物离子的迁移率不同，通过漂移电场的漂移时间也不同，根据不同的漂移时间，区分物质种类，从而完成有机化合物的测量。在化学战剂、毒品和爆炸物探测以及环境监测等领域中都有广泛的应用。另外，离子迁移谱仪作为气相色谱仪或液相色谱仪的检测部件也很有价值，已成为分析化学中常用的分析仪器之一。1.2 IMS技术发展趋势目前，常见的IMS电离技术包括放射源电离、光电离、脉冲放电电离、火焰电离、电晕放电电离以及表面电离。在IMS技术中，最常用的电离技术是放射源电离，而最常用的放射源是63Ni 放射源。放射源电离的最大优点在于结构设计简单，不需要配备外部电源和附加的电路，因此不会发生功能故障。但放射源电离也有它本身固有的缺点，这是因为其电离能较高，对绝大多数化学物质都能电离，会导致离子迁移谱的选择性较差。光电离较常用的是紫外光电离，可以有选择性地电离相关物质，这样就可以增强IMS的抗干扰能力，简化数据处理程序。但是，由于光电离需要配备外部电源，这就使离
