气体探测器前置放大器的设计与仿真

王菲 务圣杰 刘莹

摘 要：稳定性是气体探测器的前置放大器电路的重要性能指标之一。特别是采用场效应管或三级管设计增益的放大器电路，利用场效应管的可变电阻区或三极管的放大区，实现对电压增益的放大，此类电路复杂且稳定性较差。针对这一问题设计低噪声、低功耗的电路，采用新型前置放大器THS4001CD的新设计思路，很大程度上提高了气体探测器的前置放大器电路的稳定性。用Multisim10仿真软件对该电路进行仿真，仿真结果表明其，输入电压设置为10 mV，输入频率发生改变时，输出的脉冲波形几乎没有变化，气体探测器计数率稳定。

关键词：THS4001CD 前放大器 低噪声

中图分类号：TL821 文献标识码：A 文章编号：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

随着我国化石能源紧缺的问题日益突出，核能发电产业迎来了前所未有的发展机遇。但由于核裂变能发电伴随放射性物质的产生，如果防护不当可能造成人身伤害和环境污染，所以核仪器测量结果的一致性、稳定性、测量精度等性能对核辐射防护手段具有指导意义。核辐射探测器的各项性能直接影响到核仪器的测量结果，前置放大电路又是核辐射探测器电路的关键组成部分，为此人们开展了很多这方面的研究。其中大多数核辐射探测器的前置放大器很容易受到外界及自身噪声的影响，尤其是在低频计数下，气体探测器计数率很不稳定。因此选取一种低噪声的前置放大器对核辐射探测仪器的研制十分必要，该文查阅相关资料选取适合的完全低噪声的前置放大器进行电路设计，根据前置放大器的特点，仿真多种不同类型的前置放大器，并根据仿真的结果，得到一种对核辐射探测系统的设计具有一定借鉴意义的前置放大器。

1 电路设计方案及思路

剂量检测和脉冲计数是γ光子探测研究的两个主要方面，该课题主要研究脉冲计数。在实际测量中，通常把放大器分成前置放大器和主放大器两部分，其目的是为了降低探测器输出端到放大器输入端之间分布电容的影响，减少外界干扰，提高信噪比，并且与连接信号用的高频电缆阻抗相应匹配。前置放大器也叫做预放大器，它的体积较小，位于探测装置附近，前置放大器的输入与探测器相配合，有时前置放大器与探测器紧密相连，整体组装在一起，称为“探头”，由高频电缆将“探头”输出端和主放大器相连。前置放大器在核辐射测量中的作用主要有两个：首先，它可以将微弱电荷转换成电压信号并加以放大，另外是与换能器阻抗匹配[1]。在该课题中，由于核光子探测的特殊性，加之前置放大电路元器件的结构特性，采用了THS4001 CD（带宽是270 MHz，并且在0.1 dB下的平均带宽为60 MHz，转换速率为400 V/μs）的新型前置放大电路。在放大电路中，由于输入量的变化及自身等多种原因导致输入量的不稳定，故在放大器的电路中引入了负反馈，用以保证放大器的稳定运行。而THS4001CD属于电压反馈型放大器，在元器件选取时，对输入输出频率和反馈电阻进行多次测试，并结合参考值，得到合理的阻值，从而能被用于探测系统的前置放大器。电压反馈型放大器的一个特点是反馈电阻不能太小。另外，为了防止出现自激，在信号输入端并联了一个50 Ω的匹配电阻，同时选取函数波形发生器作为输入脉冲的信号输入。根据以上原理设计前置放大器电路，并用Multisim10软件进行仿真，仿真原理图见图1。

2 仿真结果

选取5 kΩ作为反馈电阻的前置放大器电路仿真结果如图2，可以看出前置放大器电路稳定性很好。通过测试，选择阻值为1～5 kΩ之间反馈电阻的前置放大器电路稳定都比较好。当前置放大器输入电压为10 mV，输入频率发生改变时，模拟电路输出的频率、电压值见表1。从表中可以看出输出的脉冲波形几乎没有变化，计数率稳定，可以根据计数率对脉冲进行计数，在研制电路板及后续的放大电路中做好抑制零点漂移和自激即可达到低噪声、低功耗的目的。

3 结语

该设计根据前置放大器的特点，仿真多种不同类型的前置放大器，并根据仿真的结果，得到最适合气体探测器的前置放大器。该设计电路已通过Multisim10软件仿真测试，在10 mV电压输入时，改变输入频率的情况下，输出的脉冲波形几乎都没有变化，气体探测器计数率稳定，在研制电路板及后续的前置放大电路中做好抑制零点漂移和自激即可达到低噪声、低功耗的目的。即该前置放大器的电路设计对核辐射探测系统的设计具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 张燕，曾光宇，洪志刚.硅PIN光电二极管探测系统的研究[J].电脑开发与应用，2007，20（2）：7-8.

[2] 胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[3] 杨兴瑶.实用电子电路500例[M].北京：化学工业出版社，1996.

[4] 庞佑兵，梁伟.电压反馈和电流反馈运算放大器的比较[J].微电子学，2003，33（2）：132-135。