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2010全国荷电粒了源、粒子束学术会议 PA级弱电流放大器的研制 马瑞刚，崔保群，马鹰俊，姜冲，黄青华，唐兵，陈立华 中国原子能科学研究院，北京，102413 摘要：本文介绍了电流放大器的工作原理及其研制的弱电流放大器，以及在制作放大器时应注 意的一些设计问题，最后，给出弱电流放大器的实验结果。 关键词：弱电流放大器，屏蔽，技术指标 1．引言 随着我国核科学技术和离子加速器事业的不断发展和应用，在射线测量中常常需要对变 化很慢又很弱的电流信号进行测量，如电离室输出的电流信号、加速器提供的带电离子束流 等，都属于弱电流的范畴。弱信号测量技术是把微弱的电流信号变成电压或者频率信号后， 送入显示仪表或者计算机进行监控。弱电流信号极易受到外界干扰，设计稳定、可靠的弱电 流放大器有一定的技术难度。因此，有必要开展弱电流信号的技术研究，扩展弱电流信号的 测量范围。 2．电流放大器工作原理 依据弱电流测量技术理论，微弱直流信号的放大，通常采取三种方法：积分放大器；I／F 放大器；IⅣ放大器。由于积分放大器是在一定时间内放大器的输出电压反映出积分电容两 极板积累电荷的多少，只要积分电容介质稳定，漏电足够小，所选用的运算放大器的输入偏 置电流小于被测电流所要求的精度，那么放大器就有足够的测量精度。所以，此种放大器具 有测量精度高，零点漂移小等优点。但该放大器响应时间长，不宜动态在线测量。VF放大 器虽然较积分放大器响应速度快一些，零点漂移也比较小，但测量范围窄，且电路设计复杂， 调试麻烦。而I／V转换放大器具有响应速度快，量程范围宽(可调)等特点，只要慎重选择 运算放大器，且在工艺上严格制作，其零点漂移、输入阻抗均能满足一般的要求。因此，在 测量仪器中常采用。 电流．电压(I／V)变换放大器又分为分流式放大器和反馈式放大器两种，如图2．1所示。 分流式放大器具有低的输入阻抗和小的输出偏移电压，例如：使用相同的运算放大器 (OPAlllBM)和l∞的跨阻增益，分流式放大器的输出电压偏移是+25lmV，而反馈式放 大器的输出电压偏移是士1．5mV。通过对比得出结论如下：反馈式放大器具有低的输入阻抗 和更低的输出电压偏移，但是受到运算放大器限制被测电流不能大于5mA；对于高跨阻增 益，需要高质量高阻值的电阻，价格高且不易购买；输出电压噪声受输入电容影响很大等缺 点。 通过分析比较设计的电流前置放大器基本构成如图2．2所示，包括电流．电压变换放大 器、低通滤波电路和射极跟随器电路组成。量程选择电路可以扩大电流放大器的测量范围。 反馈式放大器实现I／V变换功能，输出的电压信号通过低通滤波器去除掉噪声信号，提高信 噪比，电压进入跟随电路提高电流放大器的输出驱动能力。 工程项目： 串列加速器升级工程 144 2010全国荷电粒子源、粒子柬学术会议 分流式放大器 反馈式放大器 图2．1 I厂v变换放大器 圈2．2电流前置放大器原理框图 3．电路设计 使用Protel99SE软件进行弱电流放大器电路板设计，对I／V变换放大器的输入部分采用 保护线接地设计和保持足够的绝缘电阻，可以减少漏电流，提高放大器的测量精度。IⅣ放 大器选用AD795集成电路，它具有高输入阻抗，低漏电流和输出电压偏移小和噪声低等优 点。量程切换继电器选用德国MEDER公司生产的CRR05．IA继电器，它的接点断开时具有 极高的电阻。 线路板上设计2路弱电流放大器，使用屏蔽盒对弱电流放大器进行屏蔽，电流放大器输 入采用BNC连接器，放大器供电、量程切换和输出选用屏蔽性非常好的多芯连接器，供电 电源选用低纹波的线性电源，电流放大器和F筒间选用低噪声屏蔽同轴电缆。 4．技术指标 4．1量程及最小分辨率 lnA，0．1pA；10nA，10pA：100nA，0．1nA：1M，lnA：10M，10nA： 100M，100nA 4．2输出电压 0’10V对应各量程 5．测试结果 5．1直流偏移 l 量程 10rI^