一种用于辐射测量的电荷放大器设计

钱 承， 李 诺

(1. 中国合格评定国家认可中心，北京 100062; 2. 辽宁省计量科学研究院，辽宁 沈阳 110004)

微小电流测量技术是核电领域辐射量测量的重要技术。高准确度和高稳定性的微小电流测量系统是X射线、γ射线以及电子束测量的关键[1]。

目前，传统的微小电流测量方法均使用电阻反馈，这种设计存在一定的缺点。尽管一些学者使用电阻反馈方式设计的微小电流测量系统取得了良好的测量结果，但由于系统中的温度补偿电路（用于克服大电阻的温度漂移）使得测量系统十分复杂[2]。实际上，微小电流的测量是充满漂移和噪声问题的。在反馈电阻设计方法中，噪声主要来自反馈电阻的热噪声和放大器的有源噪声[3]。

理论分析表明大多数的噪声是满足随机过程模型的，其在长时间内平均值也趋近于0。所以一些学者使用积分电容方式来限制测量过程中的噪声，这也是静电计的设计原理，但由于积分电容的电容值较低，电路很容易被电容的变化扰动[4]。

于是一些学者使用开关电容的方式来测量微小电流，取得了较好的测量效果[5]。该方法具有漂移小、线性度好以及稳定性好的特点，但整个电路十分复杂以至于很难掌握并应用。TI公司为了解决这个问题，开发了基于开关电容方式的电流放大芯片DDC112。该芯片具有双通道输入、动态范围大和具备20位的AD转换测量能力。尽管该芯片简化了微小电流的测量，但其较高的价格使得其难以在普通设备中使用。

本文对传统电路稍加改动，设计了一种由锂电池供电，用于辐射电流测量的电路。其理论测量能力从10 pA到1 nA，经验证其准确度优于1%。

图1为等效电路模型，其中图1（a）给出了辐射传感器的电路模型，电流is表示传感器引入的电流，其大小与辐射强度相关；
电容Cs代表辐射传感器的内部电容，该电容的容值通常为2 000 pF。在传感器工作时，其采集到的辐射强度会变为相应的电流从阴极流向阳极。为了便于分析和设计，依据戴维南等效电路原理获得其电压模型，具体如图1（b）所示。图2为该电路的初级放大电路等效模型。其中电阻r表示传感器的内部电阻，其数值通常在10 Ω以内（其数值很小，在后续的计算中被忽略）。电容Cc，Ci和Cf分别代表引线电容、输入电容以及反馈电容。电导gc，gi和gf分别代表引线电导、输入电导以及反馈电导。电感ls代表放大电路之前的总电感（其数值很小，在后续的计算中被忽略）。通过KVL和KCL以及放大器的基本特性，可以获得式(1)和 (2)，并可以推导出等式 (3)。

其中，Ua-为放大器的负端输入电压，K0为放大器的开环放大倍数。

图1 等效电路模型

图2 初级放大电路的等效电路

通常，由于gf与1+K0的乘积远大于gc与gi的和；
Cf与 1+K0的乘积远大于Ci、Cc和Cs的和；
gf的数值小到可以忽略；
并且按照放大器的原理，K0是一个远大于1的数值，1+K0与K0的值近似相等，在式(4)中可以约去，所以式(3)可以被简化为式（4）。观察电路，可以发现Cf和gf构成了一个高通滤波器，其低频截止频率为1 / 2πRfCf。为了获得较低的截止频率，我们不得不选用具有较大数值的Rf和Cf。

从图2能够得到图3的噪声等效模型，并且获得其漂移特性。图3中的Un代表电路中的噪声源[6]。根据电路的基本定律推导出等式（5）～（8）。由于 ω (Ci+Cc+Cs)远大于gc与gi的和；

ωCf远大于gf，所以可以将等式（7）和（8）简化。等式（7）和（8）中的Uon和Uoff分别代表初级放大电路的总噪声电压和总的漂移电压。由等式（7）和（8）可以看出Uon和Uoff都与Cc、Ci、Cs的和成正比，与Cf成反比。这意味着较长的输入电缆、加大的传感器面积以及较小的反馈电容将破坏系统噪声特性和漂移特性。

图3 初级放大电路的噪声电路等效模型

基于以上模型，设计用于测量微小电流的初级放大电路。为了减小噪声电压和漂移电压，在运放之前加入了一个N沟道的JFET（IFN147或2SK30A），具体如图4所示。该JFET是一种用于音频放大的具有低噪声特性的JFET。该JFET的跨导为30 mS，其增益大约为200。由于这个JFET的加入，微小的电流从传感器进入放大电路，就被放大了近200倍，这极大地降低了对运放指标的需求[7]。反馈电阻的阻值为100 MΩ（温度系数为2×10-4℃，准确度为5%），因为其性能有较大影响，因此要谨慎选择。反馈电容Cf为10 pF（温度系数为6×10-5℃，准确度为5%），为了获得较好的温度特性，这里使用陶瓷电容。本文使用 Agilent的LCR表在 100 Hz和1 kHz两个频率点测量了该电容，根据这些选择，可以根据第二部分的公式计算出电路的低频截止频率为160 Hz。

图4 初级放大电路

除去初级放大电路以外，测量电路还需要二级放大电路、A/D转换电路、MCU电路、LCD电路和键盘电路。整个结构如图5所示。二级放大电路由正向放大电路构成，AD采用AD7705，并且使用2.5 V作为参考。在AD之前使用了用于抗混叠的低通滤波器，AD的2.5 V的参考电压由TL431获得。

图5 测量电路的结构

由于本设计的软件部采用通用技术，所以文中不再对软件技术进行赘述。

通过以上的理论分析和电路设计仍然无法获得良好的微小电流测量能力。在具体的实现中，还需使用以下技术进行优化：

1）等电位屏蔽技术（地环技术）

由于印制电路板（PCB）表面泄漏电流的影响，如果想获得1000 pA以下的电流测量能力，需要对PCB进行特殊处理[7-9]。尽管PCB表面的泄漏电流在很多时候都表现得小到可以被忽略，但其会随着湿度、粉尘和表面污物的污染而变大。本设计中，使用地环技术将运算放大器的输入端、传感器、反馈电阻和反馈电容的终端完全包围。这种方式可以有效的通过等电位屏蔽理论来减小泄漏电流的影响。即通过这圈铜箔使得运放的输入端（包括传感器、反馈电阻和反馈电容的终端）的四周与运放输入端等电势，由于不存在电势差，自然不存在泄漏电流。在我们的设计中，PCB顶部与底部的地环都与4.5 V的参考电压（理论上是电路板的地电位）连接。

2）绝缘技术

地环技术只能保护PCB的表面（减小PCB表面泄漏电流的影响），不能减小PCB内部的泄漏电流影响。理论上，使用一种由特氟龙制作的特殊的连接器，将其环绕在运放输入引脚的周围会有效的提高绝缘性能，但这种定制的特氟龙连接器在市场上很难买到，并且定制的价格很高，因此，在设计中使用特氟龙对引脚进行了简单的缠绕处理。理论上采用飞线技术也能处理该问题（干燥空气的绝缘性能比PCB板要高得多）。实际使用时可以将放大器的输入引脚抬起，通过焊接飞线实现电气连接。在非振动环境，这种方法是可以被使用的，但在振动环境下，振动会导致飞线连接抖动，进而可能将相应的振动噪声引入电路。由于这个原因，本设计中未使用飞线处理方式。

在大多数情况下，泄漏电流会受到湿度、粉尘和PCB表面清洁性的影响而变化，所以设计的PCB在电阻焊接后，还在超声波清洗池中清洗了一下（超声波清洗容易噪声直插电阻根部的断裂，因此清洗后要仔细检查）。

3）噪声抑制技术

微小电流测量的噪声抑制是一项艰巨的工作。在实际设计中只使用地环技术、绝缘技术是不够的。实际上，测试结果会被一些人的走动或窗外奔跑的汽车影响[10-11]。如第2)部分所述，运动会导致连接线缆和传感器的振动，而这种振动会产生电荷，电荷进而会成为电流噪声。在本设计中，使用同轴电缆来降低工频干扰和电流噪声。图6显示了具体的连接方式示意图。屏蔽电缆的一端要与PCB的GND连接，另一端要与BNC接口的外部金属连接。电缆的线芯与PCB的输入端连接，另一端与BNC的芯连接，整个连接距离应该越短越好，并且不能接成“猪尾巴”状。

图6 箱体内部连接示意图

4）相位补偿技术

第二部分提及的低频截止频率，其为Cf和Rf的函数。同样，电路的高频截止频率可以通过1/2πRf(Ci+Cc+Cs)计算。当电路的高频截止频率接近运放的增益带宽积fT时，电路容易发生振荡。这种现象可以通过自动控制原理中的相位裕量理论进行解释，即当电路的相位裕量低于0时，电路将产生振荡。通过反馈电容可以进行补偿并获得良好的效果。

文中使用Keithley6514、Fluke5720A、电阻箱、双刀双置开关以及1000∶1电阻分压箱来进行校准，具体如图7所示。使用5720A输出100 mV电压信号，然后将该信号输入到1000∶1的分压箱中产生100 μV信号[12]。该信号与电阻箱连接，通过串入不同的电阻产生近似1 nA、100 pA和10 pA的微小电流。使用6514作为标准器，其测量的电流值作为标准值，将DPDT开关和输出的电流路径分别与6514或本装置连接，在读数稳定后，就可以对测量值进行记录。

图7 校准系统示意图

在实际校准开始前，本装置要进行开路校准，即当没有信号输入时，本装置的输出值为0。由于数字和模拟电路必然存在偏差，所以该偏差值被记录，在后续的测量中，会减掉当前0点位置的偏差值。

表1显示了测量结果。标准值列的结果为6514的测量结果，实测值列的结果是本电路的测量结果。通过数值计算，可以得到本电路的准确度优于1%。

表1 测试结果与误差

由于需要测量的电荷量与电流成严格的线性关系，所以采用图7中的方式对该电荷放大器的线性参数进行评价，根据表1中的测量结果，采用1阶线性拟合，计算得到线性度为0.3%，如图8所示。

图8 电荷放大器的线性拟合曲线

为了验证本设计中的抗干扰措施，课题组将去掉等电位屏蔽、特氟龙绝缘措施以及箱体屏蔽连接处理的放大器与加上抗扰措施的放大器进行比较，发现等电位屏蔽和机壳屏蔽连接的抗干扰效果明显，特氟龙绝缘的抗干扰效果不明显。这可能与本设计测量的电流范围仅为pA级有关。

本文所述的电荷放大器是在传统电阻反馈电容积分电路的基础上，在前级使用JFET增加电路的输入阻抗，以获得较小的泄漏电流且减小后面电路对运放的指标要求。经过实际测量，文中所述的电荷放大器在10 pA～1 nA的范围内，测量准确度优于1%，完全适合与准确度低于5%的辐射传感器配套使用。

猜你喜欢截止频率电容电阻基于超声Lamb波截止频率的双层薄板各层厚度表征无损检测(2022年6期)2022-07-05电阻大小谁做主中学生数理化·中考版(2020年10期)2020-11-27低频射频识别系统中的RC放大器电路性能分析与研究重庆理工大学学报(自然科学)(2019年6期)2019-07-16巧测电阻中学生数理化·中考版(2018年11期)2019-01-31电阻焊制造技术与机床(2017年3期)2017-06-23梯度饱和多孔材料中弹性波的截止频率浙江大学学报（工学版）(2016年4期)2016-12-22基于multisim13.0负电阻在电源中作用的仿真通信电源技术(2016年5期)2016-03-22PWM Buck变换器电容引起的混沌及其控制电源技术(2015年1期)2015-08-22一种降压/升压式开关电容AC-AC变换器设计电源技术(2015年7期)2015-08-22投射式多点触控电容触摸屏河南科技(2014年12期)2014-02-27

推荐访问:电荷 放大器 辐射