文献综述（或调研报告）：
电路模拟软件众多，广泛应用的主要有六种：Multisim、Tina、 Proteus、Cadence、 MATLAB仿真工具包Simulink及Altium Designer。其中Multisim最受用户青睐，其界面直观，操作方便，功能丰富，仿真结果准确，因此无论是教学还是科研，Multisim都是使用者优先的考虑对象。在通常的实验过程中，元器件的损坏以及人力的花费都是十分巨大的，即使是一个十分简单的实验也会面临着保险丝损毁和元器件故障的问题，而且目前电力电子器件更新换代快，这往往导致实验室的设备跟不上最新的电力电子要求，即使一直更新实验室设备，也会面临着人力物力的大量花费。在产品设计过程中，使用Multisim软件进行电路仿真是必不可少的一步，也会大大缩减产品研发周期[1-2]。然而，在实际仿真过程中，我发现虽然Multisim元件库包含的元件种类十分丰富，还是有一些元件未收录到其中，或者是因为元器件更新迭代速度很快，其中某些元件器的性能就发生了改变，这就导致某些电路仿真结果与实际相差较大。TI公司的Tina在这时就有了用武之地，Multisim中找不到相应元器件时，就可利用Tina进行电路仿真，不过Tina是TI公司自主研发的仿真软件，其元件库中其他公司的元件并不多，这就导致其功能的局限性。因此我决定使用Multisim为主，Tina为辅的仿真组合。仿真过程中，Tina可以自己新建元器件，使其与实际器件具有相同的性能，这就解决了元件库中元件与实际元件性能差异的问题。对于电路仿真以及噪声评估，TI公司还提供了一份文档，在此文档德州仪器工程师Art Kay从电路基本原理说起，一直到软件的实际运用，条理清晰，操作性高，对于电路设计有十分巨大的帮助，其也一直作为噪声分析的入门必备参考资料。
滤波器种类繁多，按是否自带电源可区分有源滤波器和无源滤波器：有源滤波器精度高，滤波效果好。根据实际需求，主要考虑有源滤波器中的低通滤波器，在如此详细的要求下也有很多选择，主要分为两类：一是巴特沃斯型，其为一种全极点滤波器，构成滤波器的基本环节（一阶或者二阶巴特沃斯滤波器）越多，整体性能越好，其在靠近omega;=0的幅频特性在所有的n阶全极点滤波器当中最平直，在过渡带和阻带内，其表现不如另一款滤波器：切比雪夫滤波器，这也是第二类滤波器，其幅频特性在通带内不是单调的，而是波动变化的，这也是其最鲜明的特点，而且在满足同样要求的前提下，切比雪夫滤波器的需要的基本环节往往低于巴特沃斯滤波器，结构上自然也是前者更为简单。选定滤波器类型后，用元器件实现这一滤波器的方法也有很多，例如无线增益多端反馈、VCVS、双二次型和奇数阶低通滤波器等等[3]。在实际设计过程中，四阶及其以上的滤波器的滤波能力才能满足要求。安装时其位置并不固定，因为在信号处理过程中，滤波及信号放大谁先谁后并没有绝对的限制，其顺序往往是根据实际效果决定的，若是滤波系统安置在放大电路前滤波效果更好，且带来的额外噪声少，其顺序就是滤波在前，放大在后。
滤波器设计并不是无根之萍，在国内已经有许多的设计案例，其中性能优越的也有很多，无论是二阶的基础滤波器还是高达八阶的高性能滤波器都有相关设计。滤波器设计最常用的方法是查表法，此法简单易行，计算虽然繁琐但是也并不困难，不过由于表格的限制，不能列举出所有数据，其往往会导致有一部分值不能取到，此时只能利用相邻两个数据进行插值计算出所需数据，这就会带来一定误差，而高明甫等人提出的以通用表达式为基本，由转折频率作为依据选取电容值，进而确定所需电阻值的方法则更实用，也避免的高精密电容的使用，降低了成本[4]。滤波器设计过程中，所采用的公式一般都十分复杂，设计者往往会讲一个表达式经过变化转化为无量纲的式子以简化计算，也就是通常所说的归一化。通过归一化，可将复杂难辨的表达式转变为简洁名了的公式，易于计算，可以大幅度减小计算难度。计算结束后可通过去归一化将含有变量的表达式变换含有量纲的参数。汪宇等人利用了归一化方法设计了巴特沃思型低通滤波器，归一化法主要用于元件值和传递函数的求解过程中，通过查表与归一化相结合，可以大大缩小元件值选择范围，从而减小计算误差，缩短设计时间，也将繁琐的传递函数求解过程变为查表与数值转换的简单流程，提高了效率，节约了时间，通过MATLAB的仿真计算，证明查表法与归一化相结合的计算过程是可靠且高效的[5]。
高阶滤波器往往是由低阶滤波节级联而成，四阶滤波器有两个二阶滤波节，相应地，六阶滤波器则有三个滤波节，刘小群便在其四阶滤波器设计中采用了两个巴特沃斯二阶滤波节，通过查表法分别计算各两个滤波节中的元器件数值，为简化计算，可将其中部分电阻电容值设为相同，经Multisim仿真验证，设计方案可靠。池思慧等人则用了三个二阶切比雪夫滤波节搭建了一个六阶低通滤波器，电路实现方法则采用压控电压源有源低通滤波器，设计过程从滤波器传递函数求取开始，后通过去归一化计推导各元器件之间关系，之后依据电容与截止频率的关系表选取电容值后便可依次确定其余各元件数值[6-7]。
电流放大器在许多场景下都有大规模应用，在UV-VIS光谱仪中便需要跨阻放大器放大光电二极管采集到的由光信号激发的微弱电流，进而通过分析此信号来分辨未知物质，例如用过的机油或者是乙醇之类的透明物质[8]。新型纳米孔测序技术是一种十分灵敏的电化学技术，用于单分子检测，例如用于识别DNA、RNA、蛋白质和肽分子，这些分子的大小都处于纳米尺度下，因此通过仪器测量得到的电信号十分微弱，现有的检测仪器在放大信号方面表现良好，在抑制噪声方面表现则差强人意，一款低噪声的电流放大装置就显得十分必要[9]。在扫描隧道显微镜的设计中，电流放大器是十分重要的一环，相关的电路优化文献以及测试资料更是数不胜数，其热度在国内外一直居高不下，Jacob P. Petersen, and S. Alex Kandel就曾对扫描隧道显微镜的电流前置放大器进行了研究，目的是为了优化性能并查明潜在的设计缺陷，在此研究中，作者从噪声分析和基本结构着手，并对一系列元件进行了测试，得到适合构建前置放大器的一部分元器件型号。为了使电路带入信号的噪声足够小，除了元器件选型之外，各元件与印刷电路板的连接处也需要进行特殊处理 [10]。在国内，扫描隧道显微镜的研究一直都在进步，其前置放大器的最高电流分辨率也已经达到国际最高：10fA，侯玉斌调研了市场上存在的电流放大器的类型及原理，调研结果表明现有方案都存在着不同程度上的缺陷，因此其团队自主研发了新型的电流前置放大器，其放大能力强，对被测信号影响小[11]。
运放输入噪声低频区频谱密度在此区域内与频率成反比，这种形式的噪声称为1/f噪声，旧教材里也称其为闪烁噪声，其不仅仅存在于电路系统中，在音乐、生物、医学等系统中也广泛存在，对于其成因各个学科系统里自有一个说法[12-13]，通信科学技术名词审定委员会这样定义电路系统中的1/f噪声：“由于传输媒介表面不规则性或其颗粒状性质而导致的随机噪声。”这揭示了1/f噪声产生原因和其物理定义。因其广泛存在于各界中，所以其一直是信息处理领域中的重点内容，杨冬云便在其文章中介绍了1/f噪声的产生原因以及在信号处理中如何分析与应用1/f噪声[14]。
Brian Goldstein等人在《用于生物医学应用的CMOS低电流测量系统》一文中提出了利用电容反馈的低电流测量系统，如图2-1所示，在带宽1KHz下，有效值噪声只有190fA，在测量放大器噪声时，在输入端使用10GOmega;电阻和47pF电容（电容是DNA和贴片钳实验中的典型值），10kHz带宽下，50pA信号中测量得到的RMS噪声值为2.44pA。在后文中还介绍了基于OTA电流集成器的低电流测量系统及其理论噪声模型，并介绍了电流噪声的主要来源，为计算测量系统噪声提供了详尽的计算步骤[15]。Luis Orozco在《优化精密光电二极管传感器电路设计》一文中则采用了经典的电阻反馈设计方案（图2-2），其输出噪声的来源就是运算放大器的输入电压噪声、输入电流噪声和反馈电阻的约翰逊噪声，通过选择更加精密的运放和电阻就能够有效降低这两个噪声源，而且由于信号带宽一般小于噪声带宽，所以可以通过添加截止频率为放大器信号带宽的低通滤波器来降低噪声[16]。沈斌在其论文中就提出了两级放大器的电路（图2-3），其中第一级为基本的电阻反馈电路，可将电流信号进行第一次放大，第二级则是一个增益为G的差分放大器，通过差分放大器可将电流信号转变为电压信号，并进行第二次放大，当各元件选型为：反馈电阻为50GOmega;，运算放大器为AD549，差分放大器为INA105时，电路检测电流为50pA时，电压输出为2.5V，变换系数为50mV/pA[17]。侯玉斌在其论文中提出了电流分辨率为10fA的前置放大器（图2-4），其由两级放大器组成，反馈环节由电阻并联电容组成，第一级的输出作为第二级的正向输入[11]。
参考文献:
[1] 许丽,李建,赵杰,宋黎,李自成. Multism和Simulink仿真在电力电子技术中的应用[J].科教文汇,2019(总475):92-104.
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