微型气相色谱仪热导检测器放大电路设计

    气相色谱法( GC) 是目前对化学组分进行分析的主要手段之一。近年来，气相色谱仪在药物、农药残留、环境、食品、石油、石化、化工产品及高聚物分析等多个领域中发挥着举足轻重的作用^{［1 －3］}。微型气相色谱仪( micro GC) 具有体积小、功耗低、分析速度快、检测灵敏度高、动态范围宽等特点，可以满足野外、在线、快速分析等不同应用场合的需求^［4，5］。Agilent 公司生产的 Agilent 3000 及其改进型 3000 +是 micro GC 的典型代表，可快速、准确、可靠地进行在线气体样品分析，已大量应用在石油、天然气、化工、燃料电池开发等领域^［6，7］。

    为了解决“拖尾”现象，Agilent 3000 + 采用了一种新型热导检测器 ( thermal conductivity detector，TCD) 工作电路———恒丝温电路 ( constant tempera-ture circuit，CTC) 。从实际应用情况来看，CTC 电路较好地解决了“拖尾”现象^［6］。CTC 输出信号的放大和数字化电路是 micro GC 的核心电路之一，与micro GC 的动态范围、最低检出限等关键参数密切相关。Agilent 3000 + 沿用 Agilent 3000 的放大电路和模数转换器( analog-to-digital，ADC) ，取得了较好的效果。但在研制和使用过程中也发现了一些不足: 原放大电路和 ADC 的功耗过大，导致有些核心元器件温度过高，这可能会缩短 micro GC 的使用寿命^［6］。为此，有必要对放大电路和 ADC 进行改进。

    1 micro GC 放大电路的基本要求

    Agilent 3000 + 型 micro GC 采用全新的 CTC 驱动电路，后端沿用 Agilent 3000 的放大电路和 ADC，如图 1 所示。载气和样品气分别经过独立的样品分离柱后，送往 TCD 的加热池，TCD 的加热丝与置于电路板上的高精密电阻、低噪声运放等构成 CTC 电路，样品气通路与载气通路上所有的元器件参数均尽量保持一致，以消除分离柱、TCD、电路带来的误差^{［6，8，9］}。由图 1 可见，CTC 电路输出信号的电压摆幅范围为 －3 ～10 V，经过差分放大电路后，以单端信号形式输出，单端信号的电压摆幅范围为 － 4 ～1. 5 V，单端信号输入到 ADC 进行数字化，然后经过一系列的数字降频、滤波等操作后，传输至计算机进行存储和显示。

    Agilent 3000 + 对 CTC 后端模拟信号处理系统的要求主要分为两类: ①直接与性能指标相关的参数; ②其他外围参数。其中，直接与性能指标相关的要求有: 噪声、有效位深度、输入范围、采样误差、采样率; 其他外围参数主要有: 功耗、封装、数据接口等^{［10，11］}。例如 ADC 量化噪声需低于0. 62 μV( 经过数字滤波) ; 输入范围要保证满足 － 4 ～ 1. 5 V 的输入要求; 采样率要求大于或等于 200 Hz; 有效位深度要求优于 20. 2 bit: Agilent 3000 + 的最小检出限为 0. 8 ×10^{－ 6}，因此 CTC 后端模拟信号处理系统的有效位深度( 以 ENOB( effective number of bits) 表示) 需优于