Development of a Weak Current Amplifier Based on AC Modulation Technology

近年来，因积分电离室具有性能稳定、工作寿命长以及能在恶劣环境下工作等优点在工业上被广泛应用，如核辐射密度计、厚度计、核子称和水分计等；积分电离室的信号通常需要经放大和除噪后才能测到其大小。传统的直流放大器，极易受1/f噪声(低频噪声)、温漂、失调电压和失调电流等因素干扰，电流的灵敏度受到极大的限制，影响测量的精确度。因此设计一种高灵敏度低噪声的信号处理电路非常必要^[1-3]。

针对直流放大器的不足，也为了提高检测电流的灵敏度，采用交流调制放大技术设计出了弱电流放大系统，该系统不仅消除直流耦合放大器产生的漂移问题，同时也抑制了低频噪声。此外相敏检波技术能够将淹没在噪声中的信号分离，利用相敏检波技术既可以降低了噪声，也可以提高弱信号检测的精确度。采用标准电流源输出的弱电流测试系统输入输出线性及响应特性，用积分电离室检测了氚靶放出的β射线。

相敏检波能较好地对淹没在噪声中的低频弱电流信号检测，并提取弱电流信号，从而达到除去噪声的目的，在精密弱信号测量中得到了广泛的应用。相敏检波器主要由两部分组成：模拟乘法器和具有无限积分时间的积分器。在实际电路中，由于模拟乘法器精度有限、运算较复杂和速度慢等缺点，因此一般用速度快、精度高、参考信号不受幅度影响、动态范围大的模拟电子开关代替；此外，无限积分时间的积分器受到电阻和电容的限制，不可能无限，所以用低通滤波器近似地代替^[4]。相敏检波的理论基础是依据随机理论中互相关性原理运算，具体如图1所示:

其中u_i为测量信号；u_n为噪声信号；u_ref为参考信号，此信号为方波；u_o为输出信号。

若测量信号与噪声信号形成的信号为

参考信号为

进行互相关性计算可以得到输出信号u₁为^[5-9]：

式(3)中的第二项为参考信号与噪声信号的相关项，由于它们之间不相关，因此此项为零；则式(3)简化为最终的输出信号u_o：

从式(4)中可以得到，噪声信号与参考信号没有相关性，因此对最后的结果没有影响。由于放大电路中的噪声与参考信号没有相关性，因此噪声被充分抑制，所以可以通过提高放大电路增益来提高系统灵敏度而不用担心噪声的影响^[10]。

分别从电路(复杂程度、成本等因素)和开关型相敏检波(不受参考信号幅度影响的特性、动态范围大和抗过载能力强等)优点考虑，设计了简单有效的开关型相敏检波电路如图2所示；模拟乘法器用一款四极、精密以及单刀双掷的模拟开关MAX333代替，它具有静态漏电流小，且逻辑输入和开关模拟信号可以在电源电压之间的任意范围内无损；四个独立开关可用±4.5~±20 V范围内的双极电源供电，也可用＋10~＋30 V之间的单端电源供电。在电路中，MAX333采用了双极电源(±12 V)供电。

待测信号U_i经过信号变换电路形成相位相反的两路信号，将此两路信号U_i1和U_i2分别输入到MAX333的两个输入端2脚和4脚，其中U_i2=–U_i1=–U_i。1脚是逻辑控制脚，即参考方波信号输入端U_e，在一个周期内，当1脚为低电平时，3，4脚导通，当1脚为高电平时，2，3脚导通，从而实现了一个周期内的检波。

弱电流信号处理的电路主要由三部分组成，第一部分为信号发生电路，主要是提供激励信号和参考信号，激励信号为交流调制提供交流激励，参考信号为相敏检波提供参考信号；第二部分是将积分电离室输出的弱电流信号调制为交流电压信号的调制模块；第三部分是锁相放大电路，包括放大电路、相敏检波电路和低通滤波电路，主要是将调制输出的交流电压信号处理成直流电压信号输出。考虑到1/f噪声(低频噪声)、运算放大器的直流偏压和偏置电流以及50 Hz电源信号等因素对电路的影响，设计了一套弱信号处理的电路系统。整个弱电流信号处理电路系统框架如图3所示。

该部分信号主要由ICL8038芯片产生；ICL8038波形发生器是一种单片集成电路，连接外部电容和电阻能够产生频率为0.001~300 kHz的高精度正弦波、方波、锯齿波和脉冲信号，占空比范围为2%~98%；具体的电路如图4所示，调节电位器R₁和R₂可得到不同占空比和频率的正弦波和方波；正弦波经功率放大后即为所需的激励信号；方波通过倍频电路将得到所需参考信号。

从积分电离室出来的弱电流信号是pA级的，甚至更弱，这个信号既不能直接来测量，也不能经过简单的放大测量，因为这个过程中有噪声和放大器偏压等因素影响直流信号的放大，从而导致有信号检测不到的可能。针对这一问题，利用交流调制技术可将微弱直流电流信号调制成交流电压信号，交流调制模块主要包含大负载电阻和振动电容，为调制模块提供激励信号，即可将输入的弱信号调制成交流小信号。其原理是输入弱电流I通过一个非常大的电阻R后，得到的直流电电压信号：U=IR，然后振动电容再将其调制成交流电压信号；振动电容是电容随着时间周期性变化的一种电容^[11]。

这种调制不仅可以大大地降低1/f噪声(低频噪声)的影响，而且与直流I-V变换技术相比，消除了运算放大器带来的直流失调电压和失调电流漂移的影响。

由于调制输出的信号仍然非常弱(~50 µV)，所以对其进行了两级放大即A1和A2，为了降低直流偏压的影响，两级之间采用了交流耦合，具体原理如图5所示。

在对交流电压信号放大之前，先通过一个时间常数较大的高通滤波器τ=R₁C₁，截止频率为f=1/(2πR₁C₁)，其目的是进一步降低频噪声的影响^[1-2,12]；第一级放大是采用了场效应三极管组成放大电路，优点之一是输入阻抗可达到10¹² Ω，有利于信号的放大；优点之二是设计的放大倍数可调；第二级放大用了一种带有调零电路运算放大器，可以减少器件偏压的影响。放大后的电压信号，进入相敏检波电路与同频率的参考信号相关性运算(即锁相)，不仅可以提取待测弱信号，还可以进一步降低噪声。由于积分电离室存在输出电容C_d(1 nF左右)，调制电阻R(一般为10¹¹ Ω)也非常大，不利于快信号的测量，因此在整个锁相放大电路上增加了一个直流负反馈，不仅可以进一步提高灵敏度还有利于快信号的测量。整个系统的实物图如图6所示。

图7所示相敏检波电路波形图，图中(a)为ICL8038波形发生器输出的正弦调制信号用于驱动振动电容，方波为相敏检波参考信号。将激励信号经功率放大后驱动振动电容器，弱电流调制成交流电压信号，经过放大得到如图7(b)和(c)所示信号，其中(b)为相移0^°相敏检波图，(c)为相移120^°相敏检波图；(a)和(b)中通道1信号是放大后信号，通道2信号是相敏检波信号，通道3信号是检波后通过低通滤波器的信号；可以看出，在整个周期内相敏检波是对输入信号做了整流，此信号通过低通滤波器可以得到直流电压信号。通过对比(b)和(c)图，当相移120^°时，低通滤波后信号的幅度显著减小而且还伴随着明显的噪声，这说明在不合理的相移情况下，不仅会使待测信号严重丢失，而且伴随着噪声的产生。

为了测试微弱电流信号与经过系统处理后电压信号的线性关系，测试采用Keithley 6430 系列超灵敏电流源，分别测试了输入电流信号从0.01到10 pA所对应的电压信号，如图8所示：

实验结果表明，输入弱电流与输出电压之间具有良好线性关系，说明该系统能够有效放大微弱电流信号，电流测量灵敏度达到了10^–14 A，量程范围为10^–11~10^–14 A。引入直流负反馈后，测量弱电流达到稳定时的时间响应如表1所列，从没有引入负反馈的100多秒减小为15秒左右，系统放大倍数提高后，还可以进一步缩短测量响应时间。

为了进一步验证该系统在实际应用中的可靠性，用积分电离室探测氚靶放射出的β射线。考虑到积分电离室输出电流和工作电压之间有饱和特性，实验测量了积分电离室的工作电压增加与系统电路的输出电压之间关系。采用标准电流源标定，将系统电路的输出电压换算成积分电离室的输出电流，可得到积分电离室的输出电流和工作电压之间的饱和曲线图如图9所示。

从图9可知：当工作电压为1 100 V左右时出现了坪区，即饱和区；由于电离室工作在饱和区，所以积分电离室工作时可以选择在1 100 V以后的饱和区。

采用交流调制技术对积分电离室输出的微弱电流进行调制，设计了一种针对交流小信号放大检波等处理的锁相放大电路，整个弱信号处理电路系统不仅很大程度降低了低频噪声，而且也改善了直流偏压的影响。标准电流源对电路系统的性能测试表明，其灵敏度达到了10^–14 A，同时应用积分电离室探测氚靶放射出的β射线，实际测量表明该弱信号处理电路系统能够实现对积分电离室的高精度测量，也可用于其他微弱信号的检测，具有良好的工程应用前景。