引言
许多仪器中都采用通过测量荧光信号来获取被测样品的有关信息。一般荧光信号都比较微弱，需要采用光敏器件作为荧光信号传感器(如光电倍增管(PMT)或雪崩二极管)。光敏器件几乎都是电流输出型器件，可看作一个电流源。由于其输出电流极其微弱很容易受到噪声干扰，从而对该微弱荧光信号进行后续放大和滤波处理电路的要求十分严格。
由于ADC需要电压信号驱动，人们自然会想到图1的电压模放大和滤波电路。首先需要将荧光传感器输出的微弱电流信号经过I-V变换器(见图1a)转换成电压信号(UP)。再经过电压模(型)滤波器滤波后给ADC。
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可见其增益主要取决于反馈电阻RF，所以容易产生和引入噪声。后续的电压模滤波器可以采用由运放和RC构成的典型一阶或二阶有源滤波器，也容易产生和引入噪声。
图1所示信号链存在如下缺点：(1)RF太小增益不够，若太大则容易产生和引入噪声。且RF太大，阻值稳定性较差，容易受温度影响使温度稳定性变差而引入温度噪声。(2)电压模(型)放大器的电源电压一般很高(±VCC=±5～±15V，一般采用±10V或±12V)，而高的电压将使电路中的冲击噪声、散弹噪声、热噪声等的影响加大，更会使电阻表面的漏电流增加，这些都导致最后送到ADC输入端的信号中会含有大量附加噪声和干扰信号。(3)后续的电压模滤波器也同样存在类似的缺点，容易产生和引入噪声。
要想获得足够增益同时又使噪声尽可能地减小，靠采用传统的电压模滤波器是很难兼顾的。采用电流模(型)滤波电路就可解决这个问题(见图2)。
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对荧光传感器输出的微弱电流信号iP经电流模放大器直接进行电流放大为IP。再经电流模滤波器滤波后由电阻RL转换为电压信号给ADC。这样，从iP到转换成UP，一直都是电流信号的放大与滤波，从而大大减小噪声干扰。限于篇幅，本文着重讨论电流模滤波器，对于电流模放大器读者可参见文献。针对PMT输出信号中主要存在广谱高频噪声和冲击噪声且有用信息频率较低的特点，设计滤波器的原则是：(1)采用低通滤波器;(2)截止频率相对来说不能太低，以免降低响应速度和使输出波形严重失真(或畸变);(3)滤波器本身应该具有一定的增益以便补偿滤波损失和与前面电流放大器配合使整体增益的调整十分方便。
但目前所有的应用中用到的电流模集成滤波器都是把RC集成在硅片上的，因硅片上的RC不能做的很大，使它主要应用在高频滤波电路中而不适合应用于低频的荧光信号滤波中。鉴于此弊端，本文采用把RC提取到集成芯片外面的电流传输器+RC的电流模低通滤波器，使得它更好地应用于低频荧光信号测量中。
1电流模技术的概念
电流模(型)电路是以电流为参量处理模拟信号的电路。严格地讲，输入和输出信号均为电流，整个电路中除含有晶体管结电压以外，再无其它电压参量的电路，称之为电流模电路。
电流模电路的主要特点是：频带宽、速度高、电源电压低、噪声小、动态范围大、非线性失真小，易于实现电流的存储和转移。早期的电流模电路包括电流镜、跨导线性电路、电流传输器，但从性能上和便于应用角度上看都不如第二代电流传输器。
1.1第二代电流传输器CCII简介
第二代电流传输器currentconveyorII(CCII)是电流模模拟信号处理领域中很重要的部件之一。其特性可用矩阵表示
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CCII的电路符号及等效电路（见图3，4），若Iz=+Ix，则该电流传输器表示为CCII+，Iz向里流；若Iz=–Ix，则该电流传输器表示为CCII-，Iz向外流。
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在此CCII的电路实现中，本文采用AD645和8只MOS管组成的电流镜电路构成。该电路服从电流传输器定义，输入输出之间电流误差极小。等效电路中的椭圆符号表示零子(Nullator),其电特性是流过元件的电流为零，元件两端的电压为零，即Vx=Vy，Iy=0。因零子同时具有短路及开路的特性，故常常用来复制电压和隔断电流，其作用好比一个电压跟随器。等效电路中的双椭圆符号表示任意子(Norator)，其电特性是元件两端的电压与流经元件的电流无关，均可为任意值(有外接网络决定)。若是正型Norator，则表示其两端上有相等的电流流过或流出;若是负型Norator，则表示当电流从其中一段流入时，将会有等量的电流从另一端流出。
1.2电流放大器
由CCII组成的电流放大器电路(见图5)。根据CCII的端口特性得出x端与y端之间具有“虚断”的输入特性，所以流入y端的电流等于零，输入电流全部流向电阻R1，且x端与y端电压相等，所以得出Io/Ii=R1/R2。
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1.3电流微分器
由CCII组成的电流微分器电路(见图6)。电流微分器与电流放大器相比是用电容代替电阻R2，用1/sc代替R2，得出电流微分器s域的传输函数为
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输出电流的时域表达式为[attach]50677[/attach]
电流积分器与此微分器相近在此不再介绍。
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1.4二阶低通滤波器
电流传输器是通用性很强的标准部件，它与其他元件组合可以构成多种应用电路。由于第二代电流传输器具有高阻抗(电压)输入端和低阻抗输出，经过上述对CCII的分析后，对基本的滤波器设计分析如下(见图7)。
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根据电路分析得到改进电路的传递函数
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由传递函数可判断该电路为二阶低通滤波器。通过此电路的分析可知，采用电流传输器处理模拟信号与集成运放处理模拟信号的分析方法有相似之处，使得电流模电路的分析方法很容易被人们接受。
2滤波电路分析与设计
利用CCII构成有源滤波器后不仅可以滤波，而且还具有一定的电流放大和缓冲作用以补偿功能滤波器带来的增益损失。三阶巴特沃思低通滤波器在其截止频率附近特性比较陡峭，可以取得较好的滤波效果。合理选择电路各参数，可以滤除大部分高频噪声。
利用CCII构成的最大平坦频率响应特性的电流模三阶低通巴特沃思滤波器的实现电路（见图8）。根据电流传输器的端口特性及基尔霍夫定律推出电流传输函数
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若选择合适的参数，即
R1=R4，R2=R3=R6=R=1kΩ
C2=C3=C5=C=1μF
并且令R1=R/k，则上式简化为
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式中，d1=d2=2,d3=1,即得到最大平坦巴特沃思响应。调节R1和R2可得期望的增益k。
3Pspice仿真及结论
本文讨论基于CCII实现的三阶巴特沃思低通电流模滤波，上述滤波器的输入荧光信号为PMT的输出信号(见图9)，Pspice仿真结果(见图10，11)，通过仿真结果与电压模滤波器滤波效果比较可以看出此滤波器有很好的滤波效果，并且合
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理选择电路的阻容参数，可以滤除大部分高频噪声。
此设计的优点：(1)CCII的特性方程Vx=Vy,Iy=0,分别与集成运放的虚短、虚断概念相似，使得电流模电路的分析方法很容易为人们接受，改变对模拟信号处理一直以电压分析的习惯。(2)由于CCII存在一定的跟随误差，改变分母多项式的系数，通过接入合适的补偿元件，可以精确地修正有跟随误差引起的偏差。(3)采用与集成IC电路分离的电容、电阻形式使得CCII构成的电流模滤波器应用到低频领域更加方便。
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