电离规离子流可编程增益放大器的设计

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　　采用前置微电流放大器和可编程增益放大器两级运放，实现电离规离子流的可编程增益放大，以满足在真空度迅速变化且动态范围较宽时对真空度的快速准确测量。介绍了微弱电流信号的放大原理、器件选择原则、单片机控制可编程增益放大器的实现方法、电路抗干扰措施等，并给出了部分测试结果。本文设计的电离规离子流放大电路具有增益动态范围宽、精度高、响应速度快等优点，为托卡马克装置的真空度快速测量系统中离子流测量电路提供了设计参考。
0 Z6 V& J) q8 O1 B5 k; j  　　设计抗干扰快速响应电离真空规测量仪器，离子流放大单元是测量电路的核心。众所周知，电离真空计的工作原理是：规管内阴极发射出来的电子在电场作用下来回震荡与中性气体分子发生碰撞，以一定的几率产生电离，而电离出来的正离子数与气体分子密度n 成正比，在一定的温度下，与气体的压力p 成正比，即可以通过离子流大小指示真空度的大小。在真空度较高时，收集极的正离子流十分微弱，会达到微安量级(10-6 A)甚至更低，真空度迅速变化时离子流动态范围也较宽。采用常规离子流检测方法可能遇到以下问题：固定增益放大不能满足全量程信号转换要求;单级放大器放大微弱信号，需要很大的反馈电阻，导致精度和灵敏度下降且响应时间长;传统的机械切换开关或继电器改变运算放大器增益的方法所需元件多，转换速度慢。
/ |! t' i$ _3 K5 Q! Q& V, P  　　为克服传统离子流放大电路的不足，设计了可编程增益放大器，即采用前置微电流放大器加可编程增益主放大器的两级运放电路。该电路具有增益动态范围宽、精度高、转换速度快等优点。
  1、硬件电路总体设计方案
; T5 c* L/ r- e( y0 s" x* S  　　对于常规小信号检测，基本的思路是对信号进行放大，而对于像离子流这样微弱的直流电流信号是不能直接进行放大处理的，需要先转换为
$ ~( q9 H' k# c! I  　　电压信号，即通过用于I/V 转换的前置放大电路将微弱电流信号转化为小电压信号，并在转换过程中实现一定倍数的放大。在离子流信号放大的同时噪声和干扰也被放大，之后需要对信号进行整形滤波等处理，滤除高频噪声，再经过可编程增益放大器进一步放大到可读取的信号。此信号经再次滤波后送到模/ 数转换器(ADC)转换为数字信号，由单片机进行控制和显示。放大器增益的选择由单片机发出指令进行控制。电路框图如图1 所示。
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/ G& q: }3 c$ \- P& F! X  图1 离子流放大电路框图
  　　为了实现对微电流快速精确的放大，本电路的设计原则是：选用高精度、高稳定度元器件;对来自于存在较强电磁干扰的高温等离子体电离信号，采取一系列降噪措施。
  2、微电流前置放大器
  　　2.1、I/V 转换电路
) W0 i) b& w. L$ m# w* h, p, v  　　微电流测量方法常见的有高输入阻抗法和积分法。积分法测量微电流可以减小噪声的影响，但因采用了积分环节，电路响应时间长。作为快速响应离子规的测量电路积分环节不可取。高输入阻抗法是将电流转换为电压，也称为直放式微电流转换法。微电流前置放大器实际上是一个I/V 转换器，可以用运放直接搭接的方法(跨阻放大器) 实现，即充分利用运放“虚短”和“虚断”的概念，将电流转换为电压信号，同时对信号进行适当的放大，原理如图2 所示。
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# s4 l$ D- o7 B* [' }) w% {5 h  图2 I/V 转换电路
  　　图2 中，R0 为输入保护电阻，R1 是跨接在放大器输入端和输出端的高阻，C1 是R1 并联电容，它包括输入端的杂散电容和布线分布电容。因为电流源内阻理论上为无穷大，实际上也能达到1010 Ω 量级以上。对于输入阻抗与开环增益均为无穷大, 输入偏置电流为无穷小的理想运放,则被测电流Iin 将全部流过反馈电阻R1, 则输出电压。
, I8 e/ q$ ]' _$ `  结语
  　　本文设计的电离规离子流放大电路，动态范围大，响应速度快，测量精度高，系统稳定性好，适合作为真空快速测量系统中离子流放大部分电路的设计参考。