自给能探测器微电流放大电路设计

张健鹏

摘要：结合自给能探测器放大电路的设计需求，提出了信号电流放大电路的设计方案，说明了绝缘电阻的测量方法，并提出了绝缘电阻的计算公式，对电路中失调电压、失调电流以及温度漂移等因素进行了分析，为自给能探测器信号采集设备放大电路的设计提供了指导。

关键词：自给能传感器;信号采集;运算放大器;微电流信号

中图分类号：TN722.77 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0126-02

0 引言

对比其他类型的探测器，自给能探测器具有使用寿命长，在使用中不需外加偏压，结构简单，体积小，全固体化，造价低且电子学设备简单等特点，也存在输出电流信号弱，信号对中子能谱变化较灵敏，且响应时间较慢等缺点。自给能探测器的信号采集设备布置于安全壳厂房，环境条件恶劣，不利于维护。这些因素对信号电流放大电路的设计，提出了抗扰能力强，性能稳定性好，可靠性高的要求。

本文对放大器电路设计需求展开讨论，介绍了绝缘电阻的测量方法，并提出了绝缘电阻的计算公式，对电路中失调电压、失调电流以及温度漂移等因素进行了分析，为自给能传感器信号电流测量放大电路的设计提供了指导。

1 自给能探测器原理

自给能探测器结构见图1，由发射体、绝缘体、信号芯线和收集极外壳组成。发射体一般采用钒或者铑等材料组成，位于探测器中心，与信号芯线连接，外部包裹矿物质绝缘材料，探测器外壳一般由316L不锈钢无缝管拉制而成，起到保护及信号电流收集极的作用。

自给能探测器发射体是一种导体材料，具有较高的中子活化截面。在中子辐照下，发射体原子核俘获中子而活化，直接或者间接释放电子。这些电子到达收集体，形成正比于入射中子注量率的电流信号。因为发射体电流可以直接被测量，不需要对探测器另外加偏压，故称为“自给能”探测器。

由于形成电流的电子是发射体的原子核被中子激发而发射出来，一个中子产生的相互作用的信号最多是一个电子，因此自给能探测器不能用于探测单个入射中子的脉冲计数法，只能用于电流信号的测量，来测定入射中子的注量率。

自给能探测器信号动态范围较大，采集放大电路的精度要求较高，而且采集设备设置于安全壳内，运行环境较为恶劣，温度范围较大，可靠性要求较高，对放大电路的设计提出了较高要求。

2 自给能信号放大电路设计

2.1 T型电阻放大电路

由于采用高阻值电阻时，信号热噪声较大，温漂性能较差，影响放大电路的线性度。可考虑采用T型电阻网络，通过较小阻值电阻，获得较大的放大倍数，同时避免因采用高阻值电阻引入的误差和线性度的降低。

如图2，放大电路的反馈部分通过由R1、R2、R3组成的电阻网络实现，容易通过推导，获得输出电压为：

Vout=（R1+R2+）*Iin                2-1

按照公式2-1，当R1，R2阻值较大，R3阻值较小时，可组合获得较大的放大倍数。选取R1=195KΩ，R2=50KΩ，R3=1KΩ，则：

Vout=（R1+R2+）*Iin≈1MΩ*Iin       2-2

如式2-2，通过选用较小阻值的电阻R1， R2， R3组成的T型反馈网络，获得了高达1MΩ的反馈电阻，同时降低了由于采用高阻值电阻温度漂移、高噪声等特性引起的误差，较好地解决了放大倍数和放大精度之间的矛盾。

2.2 信号放大电路的设计

综合考虑各种放大电路，采用T型电阻网络对电流信号进行放大，通过采用较低阻值电阻组合成反馈电阻网络，在保证放大倍数的同时，避免了采用高阻值电阻引起的热噪声及温度漂移较高的问题，降低了电路成本，是一种较优的选择。

根据自给能探测器的原理分析，自给能探测器对外输出电流信号，在测量电路中是一个电流源。自给能探测器矿物绝缘电缆的绝缘电阻值为1012Ω到108Ω之间，自给能传感器会通过绝缘电阻产生泄漏电流，影响对堆芯中子通量的测量，因此测量电路需要对绝缘电阻进行测量，以确定泄漏电流，对信号进行修正[1]。

如图3，其中S为信号源，IS为信号电流，R4为绝缘电阻，Ileak为泄漏电流，R5为测量电阻，R6为放大器输入电阻。K为继电器触点，通过线圈控制通断，K打开时，将R5串入测量电路，K闭合时，将R5短路。在K闭合时，测量放大器输入电流Iin。紧接着，将K打开，测得此时的放大器输入电流为Iin，假设前后传感器输出信号电流稳定不变，可通过计算，获得此刻的回路绝缘电阻： 2-3

2.3 放大電路的误差分析

理想运算放大器在输入信号为0时，输出电压也为0。在实际运用中，输入电压为0时，运算放大器的输出电压并不为0，需要在输入端增加一个补偿电压，称之为输入失调电压UIO，输入失调电压也就是无输入信号时，输出电压转换到输入端的电压。同时考虑输入失调电压及其温度漂移△UIO，则两者的叠加可记作：UIO= △UIO+UIO。假设放大电路的闭环增益为Kf，容易获得因失调电压及其温漂引起的输出误差为：△UoV=（1+Kf）UIO              2-4

将△UIO写成△UIO=dT，其中表示温漂系数，dT表示温度漂移，则公式2-4可改写成：

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

理想運放的同相端和反向端输入偏置电流均为0，实际运放在工作时，为使输出电压为0，必须对运放两个输入端进行电流补偿，称之为输入失调电流：IIO=IB1-IB2                         2-6

输出偏置电流的平均值为：IB=               2-7

可通过合理选择同相端Rp的阻值，消除偏置电流对输出电压的影响，考虑失调电流，则输出电压[2]为：UoI=-IIORf-Uin   2-8

输出误差电压为：△UoI=-IIORf                       2-9

参考2-5，可写成：ΔUoI=-RinIIO-RinΔT         2-10

同时考虑失调电压和失调电流的影响，则输出误差电压为：

ΔUo=ΔUoV+UoI                                  2-11

折合成输入端误差电压为：ΔUin=        2-12

如输入信号为电流信号，则输入端电流误差为：

ΔIin=                                 2-13

3 结语

本文介绍了自给能探测器的探测原理，对自给能探测器放大电路的设计要求进行了说明，确定了自给能探测器放大电路的电路形式，并对回路绝缘电阻的测量过程进行了说明，提出了绝缘电阻的计算公式，并对电路中失调电压、失调电流以及温度漂移等因素进行了分析。

参考文献

[1]王卫勋.微电流检测方法的研究[D].西安：西安理工大学，2007.

[2]严刚峰.运算放大器的稳态误差分析[J].成都大学学报（自然科学版），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