CN106385241A

CN106385241A - 一种适用于聚变堆强电磁环境的高灵敏电流放大器

Info

Publication number: CN106385241A
Application number: CN201610832607.5A
Authority: CN
Inventors: 张斌; 曹宏睿; 赵金龙; 胡立群; 盛秀丽; 陈开云; 陈晔斌
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2016-09-19
Filing date: 2016-09-19
Publication date: 2017-02-08

Abstract

本发明公开了一种适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，包括改进的差分电流放大器，以及全差分有源滤波器，差分电流放大器的输出信号由全差分有源滤波器滤除高频干扰成分；通过差分电流放大器的改进，实现在保证系统低噪声的前提下电路的高增益1*10^7（V/A），高带宽100KHz；与此同时，通过电源滤波器，实现对电源EMI（电磁干扰）的抑制。

Description

一种适用于聚变堆强电磁环境的高灵敏电流放大器

技术领域

本发明涉及电流放大器领域，具体是一种适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器。

背景技术

目前，聚变实验装置中需要测量的信号都非常微弱(nA量级)，一般都需要经过核测量设备进行放大处理，其恶劣的强电磁场环境要求测量设备要有很高的抗干扰能力。一般情况下，为使系统工作稳定，测量设备距离前端探测器距离较远，但距离越远越不利于信号的传输，会引入更大的干扰。目前，国内外的前置放大器(增益：1×10⁶V/A，带宽100KHz)在信号传输上都采用单端形式，抗干扰能力差，传输距离近。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，以解决现有技术用于微弱电流放大器放置在聚变堆强电磁场区域内电磁兼容的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：包括改进的差分电流放大器以及全差分有源滤波器，所述的改进的差分电流放大器对输入的电流信号进行增益调节以及相位补偿，实现在保证系统低噪声的前提下，得到高增益1*10^7V/A，高带宽100KHz的差分放大输出信号，该差分放大输出信号经电缆传输至全差分有源滤波器，全差分有源滤波器滤除其高频干扰成分实现电磁干扰的抑制；所述的差分电流放大器以及全差分有源滤波器上还通过电缆连接有供电电源；同时，通过对差分电流放大器及全差分有源滤波器的器件选型、屏蔽、接地进行设计，有效的抑制了环境辐射噪声、接地干扰噪声、高频噪声。

所述的改进的差分电流放大器主要通过电路设计实现在保证增益和带宽的同时，保证良好的信噪比，提高电路系统的抗干扰能力，本设计在差分放大器的反馈电路上采取了特殊的设计方式，相比采用传统的差分放大电路，阴极电流会均分给不同通道的差分放大器输入端，而阳极输出电流则分路输入给各通道差分放大器，从而形成差分输入信号不对等的情况。本发明改进差分电流放大器通过两个集成运算放大器组成一组差分放大电路，其中U1放大器的输出通过电容Cf2和Rf2反馈到U2放大器的同相输入端，同理U2放大器的输出通过电容Cf1和Rf1反馈到U1放大器的同相输入端，形成反馈电路。经过电路测试，这种反馈方式可以解决共阴极探测器差分输入信号不对等的情况。同时通过调节Cf1，Cf2，Rf1，Rf2的参数，可以改变差分放大电路整体的频带响应和增益大小，电路的增益通过Rf1，Rf2调节，Cf1，Cf2对电路进行相位补偿，同时也影响电路的带宽，并随着反馈深度的增加可以抑制自激振荡的概率，但是也会限制增益的大小。

所述的全差分有源滤波器对100KHz以上信号有很好的抑制效果。，

所述的电缆通过选型、阻抗匹配，实现微弱信号的远距离传输。

所述的屏蔽通过3-5mm铝合金加软铁复合材料实现。

所述的接地设计为系统浮地，单点接地。

本发明优点为：

1、该前置放大器适用于远离探测器、长距离信号传输；

2、该前置放大器采用全差分结构设计，适用于强电磁干扰环境。

附图说明

图1为本发明结构原理图；

图2为本发明改进差分放大器电路图；

图3为本发明全差分有源滤波器；

图4为本发明的现场测试原理图；

图5为本发明现场测试时示波器监测的差分信号输出的结果图；

具体实施方式

如图1所示，适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：包括改进的差分电流放大器以及全差分有源滤波器，所述的改进的差分电流放大器对输入电流信号的增益调节以及相位补偿，实现在保证系统低噪声的前提下，得到高增益1*10^7V/A，高带宽100KHz的差分放大输出信号，该差分放大输出信号经电缆传输至全差分有源滤波器，全差分有源滤波器滤除其高频干扰成分实现电磁干扰的抑制；所述的差分电流放大器以及全差分有源滤波器上还通过电缆连接有供电电源。

所述的改进的差分电流放大器主要通过电路设计实现在保证增益和带宽的同时，保证良好的信噪比，提高电路系统的抗干扰能力，其输入级的电路设计原理如图2所示，本前置放大器主要针对多通道集成硅光电阵列探测器设计，该类型探测器的特点是共阴极，这样如果采用传统的差分放大电路，阴极电流会均分给不同通道的差分放大器输入端，而阳极输出电流则分路输入给各通道差分放大器，从而形成差分输入信号不对等的情况。本设计在差分放大器的反馈电路上采取了特殊的设计方式。通过两个集成运算放大器组成一组差分放大电路，其中U1放大器的输出通过电容Cf2和Rf2反馈到U2放大器的同相输入端，同理U2放大器的输出通过电容Cf1和Rf1反馈到U1放大器的同相输入端，形成反馈电路。经过电路测试，这种反馈方式可以解决共阴极探测器差分输入信号不对等的情况。同时通过调节Cf1，Cf2，Rf1，Rf2的参数，可以改变差分放大电路整体的频带响应和增益大小，电路的增益通过Rf1，Rf2调节，Cf1，Cf2对电路进行相位补偿，同时也影响电路的带宽，并随着反馈深度的增加可以抑制自激振荡的概率，但是也会限制增益的大小。最终设定电阻Rf1，Rf2为2.5MΩ，电容Cf1，Cf2为0.5pF。此方案解决了在使用共阴(阳)极探测器时负端信号均分的弊端，同时能很好的抑制共模干扰。为了降低噪声，同时不影响带宽，需在后级加滤波电路，用于滤除高频干扰。在本系统中，由于负载的不确定性，无源滤波器的特性容易受负载的影响，不适用本设计；前放采用的差分电流放大器，其输出信号为差分信号，且信号需长距离传输。基于以上考虑，故采用全差分有源滤波器，具体电路如图3所示，其电路的传递函数为：

H_{d} (f) = [\frac{K}{- {(\frac{f}{F S F \times f_{c}})}^{2} + \frac{1}{Q} \frac{j f}{F S F \times f_{c}} + 1}] \times (\frac{\frac{R_{t}}{2 R_{4} + R_{t}}}{1 + \frac{j 2 {πfR}_{4} R_{t} C_{3}}{2 R_{4} + R_{t}}}) - - - (1)

K = \frac{R_{2}}{R_{1}} - - - (2)

F S F \times f_{c} = \frac{1}{2 π \sqrt{2 \times R_{2} R_{3} C_{1} C_{2}}} - - - (3)

Q = \frac{\sqrt{2 \times R_{2} R_{3} C_{1} C_{2}}}{R_{3} C_{1} + R_{2} C_{1} + {KR}_{3} C_{1}} - - - (4)

其中，K为滤波器通带增益，fc为滤波器截止频率，FSF为频率比例因子，Q为品质因数。由于本系统要求信号的带宽fc＝100KHz，为了不影响前级电路的带宽，保证信号频率顺利通过滤波器。在设计时，滤波器的截止频率应高于信号频率的上限。通过理论计算设定滤波器的带宽fc＝200KHz；K＝2；Q＝0.86。图4为通过Cadence仿真得到的滤波器幅频特性曲线，确保信号在100KHz内没有衰减，而对100KHz以上信号有很好的抑制效果。

通过差分电流放大器的改进，实现在保证系统低噪声的前提下电路的高增益1*10^7(V/A)，高带宽100KHz；与此同时，通过滤波器，实现对电源EMI(电磁干扰)的抑制；在此基础上，对电流放大器及电源滤波器的器件选型、屏蔽、接地进行了周密设计，其中，对系统采用特殊接地方式，一般的大型测量装置中，接地是重要环节，因为接地好坏会直接影响信号质量，引入噪声。以EAST托克马克为例，其上百个诊断如果接地方式不妥当，将会导致通过接地回路引入互相串扰。本系统的接地方式为系统浮地，单点接地，具体为电缆内芯的双绞线连接探测器与前放，电缆的屏蔽层与前放外壳连接，前放外壳单点接地。对系统的屏蔽采用ANSYS仿真建模，设计屏蔽盒体厚度，开孔位置及大小，使得串扰的影响最小化。对多种材料进行了仿真，包括铁、铝、软铁，同时，测试了材料厚度对电磁屏蔽的影响，最终选择了3-5mm铝合金加软铁复合材料，从而有效的抑制了环境辐射噪声、接地干扰噪声、高频噪声。

所述的适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：通过对电缆选型，进行阻抗匹配，实现微弱信号的远距离传输。由于本发明用于ITER(国际热核实验聚变堆)，且2-3年内不允许电缆维护，对电缆的稳定性和可靠性提出了很高的要求，故所用电缆需在ITER电缆目录中进行选择。电缆自身需要满足抗辐射性能(包括核辐射、电磁辐射)，耐火等级，因此选择了德国和柔品牌电缆。在此基础上，已对电缆的电性能参数进行测试，包括信号损耗测试——通常截面越粗信号质量越好，但是过粗的截面会导致电缆重量增加，因此我们根据实际探测器到放大器输入端30米的距离选择了合适截面(30*2*0.8mm)的电缆、信号质量测试——信号的长距离传输，电缆特征阻抗和放大器输入端阻抗不匹配会产生信号反射，经过实测，电缆的特征阻抗为110Ω，因此在放大器设计时可以调节输入端电阻使其特征阻抗与电缆匹配，最终所选电缆为德国和柔No.34154，这款双屏蔽线的核辐射参数为100*10^6cJ/kg，，耐火等级E30。

以位于中科院等离子体物理研究所的EAST托克马克聚变实验装置为例，在低杂波(LHW)加热时处于2.45G和4.6G频段，可达百V/M量级的强电磁场环境。本系统针对以上强电磁场环境做了优化设计，为了检验实际效果，已在国网电力科学研究院(南京南瑞)进行了2.45G和4.6G，200V/M的强电磁场辐射测试，分别在X,Y,Z三个不同方向对系统进行了测试，测试结果显示两对差分信号不受干扰源影响。图4为现场测试原理图，在现场测试时，针对灯信号源在大功率干扰信号源下发射的信号采用本发明的探测器高灵敏电流放大器进行探测，并将探测得到的信号经前方电路以及中放电路放大处理后有示波器采集显示，其中，大功率干扰信号源上还连接有干扰源控制器；图5是用示波器监测前置放大器CH1通道和CH2通道差分信号输出的结果，两个差分对信号分别对应探测器相邻的两个探测单元，所以信号幅度基本一致。在加入串扰的实验过程中，没有发现出现干扰、毛刺信号等，信号的幅度，频率和噪声水平均未发生变化。故认为200V/M的强电磁场没有对待测的前置放大器以及探测器产生影响。除此之外，我们还对系统进行了全面的测试。表1为其他常规的EMC测试项目列表。

表1

Claims

1.一种适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：包括改进的差分电流放大器以及全差分有源滤波器，所述的改进的差分电流放大器对输入的电流信号进行增益调节以及相位补偿，实现在保证系统低噪声的前提下，得到高增益1*10^7V/A，高带宽100KHz的差分放大输出信号，该差分放大输出信号经电缆传输至全差分有源滤波器，全差分有源滤波器滤除其高频干扰成分实现电磁干扰的抑制；所述的差分电流放大器以及全差分有源滤波器上还通过电缆连接有供电电源；同时，通过对差分电流放大器及全差分有源滤波器的器件选型、屏蔽、接地进行设计，有效抑制环境辐射噪声、接地干扰噪声、高频噪声。

2.根据权利要求1所述的适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：所述的改进的差分电流放大器通过两个集成运算放大器组成一组共阴极差分放大电路，其中U1集成运算放大器的输出通过电容Cf2和Rf2反馈到U2放大器的同相输入端，U2集成运算放大器的输出通过电容Cf1和Rf1反馈到U1放大器的同相输入端，形成反馈电路，实现共阴极差分输入信号的对等输出，同时，通过调节Cf1，Cf2参数实现电路增益调节，通过调节Rf1，Rf2的参数对电路进行相位补偿，同时也影响电路的带宽。

3.根据权利要求1所述的适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：所述的电缆通过选型、阻抗匹配，实现微弱信号的远距离传输。

4.根据权利要求1所述的适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：所述的屏蔽通过3-5mm铝合金加软铁复合材料实现。

5.根据权利要求1所述的适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：所述的接地设计为系统浮地，单点接地。

6.根据权利要求1所述的适用于聚变堆强电磁场环境的高灵敏电流放大器，其特征在于：所述的全差分有源滤波器对100KHz以上信号有很好的抑制效果。