自給能探測器微電流放大電路設計

張健鵬

摘要：結合自給能探測器放大電路的設計需求，提出了信號電流放大電路的設計方案，說明了絕緣電阻的測量方法，并提出了絕緣電阻的計算公式，對電路中失調電壓、失調電流以及溫度漂移等因素進行了分析，為自給能探測器信號采集設備放大電路的設計提供了指導。

關鍵詞：自給能傳感器;信號采集;運算放大器;微電流信號

中圖分類號：TN722.77 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0126-02

0 引言

對比其他類型的探測器，自給能探測器具有使用壽命長，在使用中不需外加偏壓，結構簡單，體積小，全固體化，造價低且電子學設備簡單等特點，也存在輸出電流信號弱，信號對中子能譜變化較靈敏，且響應時間較慢等缺點。自給能探測器的信號采集設備布置于安全殼廠房，環境條件惡劣，不利于維護。這些因素對信號電流放大電路的設計，提出了抗擾能力強，性能穩定性好，可靠性高的要求。

本文對放大器電路設計需求展開討論，介紹了絕緣電阻的測量方法，并提出了絕緣電阻的計算公式，對電路中失調電壓、失調電流以及溫度漂移等因素進行了分析，為自給能傳感器信號電流測量放大電路的設計提供了指導。

1 自給能探測器原理

自給能探測器結構見圖1，由發射體、絕緣體、信號芯線和收集極外殼組成。發射體一般采用釩或者銠等材料組成，位于探測器中心，與信號芯線連接，外部包裹礦物質絕緣材料，探測器外殼一般由316L不銹鋼無縫管拉制而成，起到保護及信號電流收集極的作用。

自給能探測器發射體是一種導體材料，具有較高的中子活化截面。在中子輻照下，發射體原子核俘獲中子而活化，直接或者間接釋放電子。這些電子到達收集體，形成正比于入射中子注量率的電流信號。因為發射體電流可以直接被測量，不需要對探測器另外加偏壓，故稱為“自給能”探測器。

由于形成電流的電子是發射體的原子核被中子激發而發射出來，一個中子產生的相互作用的信號最多是一個電子，因此自給能探測器不能用于探測單個入射中子的脈沖計數法，只能用于電流信號的測量，來測定入射中子的注量率。

自給能探測器信號動態范圍較大，采集放大電路的精度要求較高，而且采集設備設置于安全殼內，運行環境較為惡劣，溫度范圍較大，可靠性要求較高，對放大電路的設計提出了較高要求。

2 自給能信號放大電路設計

2.1 T型電阻放大電路

由于采用高阻值電阻時，信號熱噪聲較大，溫漂性能較差，影響放大電路的線性度。可考慮采用T型電阻網絡，通過較小阻值電阻，獲得較大的放大倍數，同時避免因采用高阻值電阻引入的誤差和線性度的降低。

如圖2，放大電路的反饋部分通過由R1、R2、R3組成的電阻網絡實現，容易通過推導，獲得輸出電壓為：

Vout=（R1+R2+）*Iin? ? ? ? ? ? ? ? 2-1

按照公式2-1，當R1，R2阻值較大，R3阻值較小時，可組合獲得較大的放大倍數。選取R1=195KΩ，R2=50KΩ，R3=1KΩ，則：

Vout=（R1+R2+）*Iin≈1MΩ*Iin? ? ? ?2-2

如式2-2，通過選用較小阻值的電阻R1， R2， R3組成的T型反饋網絡，獲得了高達1MΩ的反饋電阻，同時降低了由于采用高阻值電阻溫度漂移、高噪聲等特性引起的誤差，較好地解決了放大倍數和放大精度之間的矛盾。

2.2 信號放大電路的設計

綜合考慮各種放大電路，采用T型電阻網絡對電流信號進行放大，通過采用較低阻值電阻組合成反饋電阻網絡，在保證放大倍數的同時，避免了采用高阻值電阻引起的熱噪聲及溫度漂移較高的問題，降低了電路成本，是一種較優的選擇。

根據自給能探測器的原理分析，自給能探測器對外輸出電流信號，在測量電路中是一個電流源。自給能探測器礦物絕緣電纜的絕緣電阻值為1012Ω到108Ω之間，自給能傳感器會通過絕緣電阻產生泄漏電流，影響對堆芯中子通量的測量，因此測量電路需要對絕緣電阻進行測量，以確定泄漏電流，對信號進行修正[1]。

如圖3，其中S為信號源，IS為信號電流，R4為絕緣電阻，Ileak為泄漏電流，R5為測量電阻，R6為放大器輸入電阻。K為繼電器觸點，通過線圈控制通斷，K打開時，將R5串入測量電路，K閉合時，將R5短路。在K閉合時，測量放大器輸入電流Iin。緊接著，將K打開，測得此時的放大器輸入電流為Iin，假設前后傳感器輸出信號電流穩定不變，可通過計算，獲得此刻的回路絕緣電阻： 2-3

2.3 放大電路的誤差分析

理想運算放大器在輸入信號為0時，輸出電壓也為0。在實際運用中，輸入電壓為0時，運算放大器的輸出電壓并不為0，需要在輸入端增加一個補償電壓，稱之為輸入失調電壓UIO，輸入失調電壓也就是無輸入信號時，輸出電壓轉換到輸入端的電壓。同時考慮輸入失調電壓及其溫度漂移△UIO，則兩者的疊加可記作：UIO= △UIO+UIO。假設放大電路的閉環增益為Kf，容易獲得因失調電壓及其溫漂引起的輸出誤差為：△UoV=（1+Kf）UIO? ? ? ? ? ? ? 2-4

將△UIO寫成△UIO=dT，其中表示溫漂系數，dT表示溫度漂移，則公式2-4可改寫成：

△UoV=（1+Kf）（UIO+dT）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2-5

理想運放的同相端和反向端輸入偏置電流均為0，實際運放在工作時，為使輸出電壓為0，必須對運放兩個輸入端進行電流補償，稱之為輸入失調電流：IIO=IB1-IB2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2-6

輸出偏置電流的平均值為：IB=? ? ? ? ? ? ? ?2-7

可通過合理選擇同相端Rp的阻值，消除偏置電流對輸出電壓的影響，考慮失調電流，則輸出電壓[2]為：UoI=-IIORf-Uin? ?2-8

輸出誤差電壓為：△UoI=-IIORf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2-9

參考2-5，可寫成：ΔUoI=-RinIIO-RinΔT? ? ? ? ?2-10

同時考慮失調電壓和失調電流的影響，則輸出誤差電壓為：

ΔUo=ΔUoV+UoI? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2-11

折合成輸入端誤差電壓為：ΔUin=? ? ? ? 2-12

如輸入信號為電流信號，則輸入端電流誤差為：

ΔIin=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2-13

3 結語

本文介紹了自給能探測器的探測原理，對自給能探測器放大電路的設計要求進行了說明，確定了自給能探測器放大電路的電路形式，并對回路絕緣電阻的測量過程進行了說明，提出了絕緣電阻的計算公式，并對電路中失調電壓、失調電流以及溫度漂移等因素進行了分析。

參考文獻

[1]王衛勛.微電流檢測方法的研究[D].西安：西安理工大學，2007.

[2]嚴剛峰.運算放大器的穩態誤差分析[J].成都大學學報（自然科學版），2015，34（03）：277-279.

Design of Amplifier for Micro-Currentof Self-Powered Detector

ZHANG Jian-peng

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai? 200233）

Abstract：Self-Powered Detectors（SPD）are utilized to monitor the in-core neutron flux rate， whose output signal are micro-currents in microampere or even nano-ampere level， and the signal collecting equipment are installed in containment building， where the environment is harsh and the equipment is inconvenient to maintain. Different types of amplifiers are compared and circuit parameters are discussed to fulfill the requirements of collecting SPD signals， the design specification of amplifier circuit is suggested for developing the signal amplifier circuit of Self-Powered Detector.

Key words：Self-Powered Detector; In-Core monitoring; signal collecting; amplifier circuit; micro-current