快响应低漂移微电流放大器的设计与制造

　　在反应堆物理试验中,需采用快速落棒法精确测量控制棒的积分价值与堆芯的停堆深度,快速落棒导致堆芯中子注量率发生快速变化,因此需要一种微电流测量范围在1×10-10A~1×10-4A,响应时间快,噪声水平低的微电流放大器才能满足反应性精度测量误差的要求。要实现这个目的,要求微电流放大器具有很高的输入阻抗和较低的输出阻抗,噪声低、漂移小、零点摆动小。为实现对空间效应进行修正的需要,小电流放大器必须具有较快的响应速度及无超调的过渡特性。而在一般的射线测量中往往采用慢变化的弱电流放大器,输出噪声较大,响应时间慢,零点摆动大而达不到反应性测量技术要求,因此需要研制专门的快响应低漂移微电流放大器。

　　1　微电流放大器的设计技术指标

　　为适应反应性的测量,微电流放大器的设计技术指标如下:

　　a.输入电流范围:1×10-10A~1×10-4A：

　　b.档位:1×10-10A、1×10-9A、1×10-8A、1×10-7A、1×10-6A、1×10-5A、1×10-4A;

　　c.输出电压:0~10V;

　　d.零点漂移:≤5mV/8h;

　　e.档位零点差:≤5mV(DC);

　　f.档位线性误差:<1‰;

　　g.仪器自检:通过1×10-8A档对硬件自检;

　　h.无超调时间常数:≤6ms(1×10-8档)。

　　2　微电流放大器原理及瞬态响应分析

        设增益为-K的直接耦合放大器与作为反馈的量程电阻Rf如图1所示连接起来,便构成了微电流放大器。假定放大器输入阻抗Ri与放大倍数K均为无穷大的理想运放,则由电路的稳态分析可得:

　　Vs=-Vo/K

　　因为放大器的输入阻抗Ri为无穷大,所以输入电流必然流过量程电阻Rf,因此,可以得到:

　　为了增强电路的瞬态响应,提高响应速度,对于给定的Rf值,我们必须使Ci和Cf小,而K要大。要减小Ci影响,可以采用在反馈通路中使用延迟网络,如图2所示。

　　3　基于AD549微电流放大器

　　图3是基于AD549微电流前置放大器原理图,R1为AD549输入限流保护电阻,主要是防止运放在工作条件下,当输入信号电压超过供电电压,导致运放损坏或输入电流漂移和电压漂移。保护电阻的选择主要是保证输入电流在1mA时,时间不能超过1秒,或者电流在100μA时长期工作,但要注意的是同时会引入噪声。C1用于消除超调,R5、R6和RV2组成AD549前置放大器的调零电路,其自动稳零采用的方法是在AD549的第1脚和第5脚接一个电位器,中心触点接到负电源输入端。R2、R3和RV1组成AD549前置放大器的增益调节电路。RV1调节测量精度,R2为反馈电阻通过控制U2来实现放大器的换档。U2选用隔离电阻大于1013Ω以上的光耦FET开关。在这个电路中没有加后级的电压主放大电路,是因为电压主放大电路将产生较大的噪声信号,所以电压放大电路尽量不要和微电流放大电路放到同一个屏蔽盒中。