氣體探測器前置放大器的設計與仿真

王菲 務圣杰 劉瑩

摘 要：穩定性是氣體探測器的前置放大器電路的重要性能指標之一。特別是采用場效應管或三級管設計增益的放大器電路，利用場效應管的可變電阻區或三極管的放大區，實現對電壓增益的放大，此類電路復雜且穩定性較差。針對這一問題設計低噪聲、低功耗的電路，采用新型前置放大器THS4001CD的新設計思路，很大程度上提高了氣體探測器的前置放大器電路的穩定性。用Multisim10仿真軟件對該電路進行仿真，仿真結果表明其，輸入電壓設置為10 mV，輸入頻率發生改變時，輸出的脈沖波形幾乎沒有變化，氣體探測器計數率穩定。

關鍵詞：THS4001CD 前放大器 低噪聲

中圖分類號：TL821 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（c）-0028-02

The Design and Simulation of Gas Detector Preamplifier

Wang Fei Wu Shengjie Liu Ying

（Shanxi China Radiation Nuclear Instrument Co.， LTD， Taiyuan Shanxi， 030000，China）

Abstract： Stability is one important performance index of preamplifier circuits of gas detector. The amplifier circuits have adopted field effect tube or triple tube design， in such application of resistive region of field effect tube or amplifier region of triple tube has amplified the voltage gain which will cause less stability and more complexity. The new design of using TSH4001CD preamplifier has significantly enhanced the stability of circuits. The simulation outcome from Multisim10 has indicated that when input frequency range varies， the output pulse shapes almost with no changes； the counting-rate of gas detector is stable.

Key Words： THS4001CD； Preamplifier； Low noise

隨著我國化石能源緊缺的問題日益突出，核能發電產業迎來了前所未有的發展機遇。但由于核裂變能發電伴隨放射性物質的產生，如果防護不當可能造成人身傷害和環境污染，所以核儀器測量結果的一致性、穩定性、測量精度等性能對核輻射防護手段具有指導意義。核輻射探測器的各項性能直接影響到核儀器的測量結果，前置放大電路又是核輻射探測器電路的關鍵組成部分，為此人們開展了很多這方面的研究。其中大多數核輻射探測器的前置放大器很容易受到外界及自身噪聲的影響，尤其是在低頻計數下，氣體探測器計數率很不穩定。因此選取一種低噪聲的前置放大器對核輻射探測儀器的研制十分必要，該文查閱相關資料選取適合的完全低噪聲的前置放大器進行電路設計，根據前置放大器的特點，仿真多種不同類型的前置放大器，并根據仿真的結果，得到一種對核輻射探測系統的設計具有一定借鑒意義的前置放大器。

1 電路設計方案及思路

劑量檢測和脈沖計數是γ光子探測研究的兩個主要方面，該課題主要研究脈沖計數。在實際測量中，通常把放大器分成前置放大器和主放大器兩部分，其目的是為了降低探測器輸出端到放大器輸入端之間分布電容的影響，減少外界干擾，提高信噪比，并且與連接信號用的高頻電纜阻抗相應匹配。前置放大器也叫做預放大器，它的體積較小，位于探測裝置附近，前置放大器的輸入與探測器相配合，有時前置放大器與探測器緊密相連，整體組裝在一起，稱為“探頭”，由高頻電纜將“探頭”輸出端和主放大器相連。前置放大器在核輻射測量中的作用主要有兩個：首先，它可以將微弱電荷轉換成電壓信號并加以放大，另外是與換能器阻抗匹配[1]。在該課題中，由于核光子探測的特殊性，加之前置放大電路元器件的結構特性，采用了THS4001 CD（帶寬是270 MHz，并且在0.1 dB下的平均帶寬為60 MHz，轉換速率為400 V/μs）的新型前置放大電路。在放大電路中，由于輸入量的變化及自身等多種原因導致輸入量的不穩定，故在放大器的電路中引入了負反饋，用以保證放大器的穩定運行。而THS4001CD屬于電壓反饋型放大器，在元器件選取時，對輸入輸出頻率和反饋電阻進行多次測試，并結合參考值，得到合理的阻值，從而能被用于探測系統的前置放大器。電壓反饋型放大器的一個特點是反饋電阻不能太小。另外，為了防止出現自激，在信號輸入端并聯了一個50 Ω的匹配電阻，同時選取函數波形發生器作為輸入脈沖的信號輸入。根據以上原理設計前置放大器電路，并用Multisim10軟件進行仿真，仿真原理圖見圖1。

2 仿真結果

選取5 kΩ作為反饋電阻的前置放大器電路仿真結果如圖2，可以看出前置放大器電路穩定性很好。通過測試，選擇阻值為1～5 kΩ之間反饋電阻的前置放大器電路穩定都比較好。當前置放大器輸入電壓為10 mV，輸入頻率發生改變時，模擬電路輸出的頻率、電壓值見表1。從表中可以看出輸出的脈沖波形幾乎沒有變化，計數率穩定，可以根據計數率對脈沖進行計數，在研制電路板及后續的放大電路中做好抑制零點漂移和自激即可達到低噪聲、低功耗的目的。

3 結語

該設計根據前置放大器的特點，仿真多種不同類型的前置放大器，并根據仿真的結果，得到最適合氣體探測器的前置放大器。該設計電路已通過Multisim10軟件仿真測試，在10 mV電壓輸入時，改變輸入頻率的情況下，輸出的脈沖波形幾乎都沒有變化，氣體探測器計數率穩定，在研制電路板及后續的前置放大電路中做好抑制零點漂移和自激即可達到低噪聲、低功耗的目的。即該前置放大器的電路設計對核輻射探測系統的設計具有一定的借鑒意義。

參考文獻

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[4] 龐佑兵，梁偉.電壓反饋和電流反饋運算放大器的比較[J].微電子學，2003，33（2）：132-135。