采用前置微電流放大器和可編程增益放大器兩級運放，實現電離規離子流的可編程增益放大，以滿足在真空度迅速變化且動態范圍較寬時對真空度的快速準確測量。介紹了微弱電流信號的放大原理、器件選擇原則、單片機控制可編程增益放大器的實現方法、電路抗干擾措施等，并給出了部分測試結果。本文設計的電離規離子流放大電路具有增益動態范圍寬、精度高、響應速度快等優點，為托卡馬克裝置的真空度快速測量系統中離子流測量電路提供了設計參考。

　　設計抗干擾快速響應電離真空規測量儀器，離子流放大單元是測量電路的核心。眾所周知，電離真空計的工作原理是：規管內陰極發射出來的電子在電場作用下來回震蕩與中性氣體分子發生碰撞，以一定的幾率產生電離，而電離出來的正離子數與氣體分子密度n 成正比，在一定的溫度下，與氣體的壓力p 成正比，即可以通過離子流大小指示真空度的大小。在真空度較高時，收集極的正離子流十分微弱，會達到微安量級(10-6 A)甚至更低，真空度迅速變化時離子流動態范圍也較寬。采用常規離子流檢測方法可能遇到以下問題：固定增益放大不能滿足全量程信號轉換要求;單級放大器放大微弱信號，需要很大的反饋電阻，導致精度和靈敏度下降且響應時間長;傳統的機械切換開關或繼電器改變運算放大器增益的方法所需元件多，轉換速度慢。

　　為克服傳統離子流放大電路的不足，設計了可編程增益放大器，即采用前置微電流放大器加可編程增益主放大器的兩級運放電路。該電路具有增益動態范圍寬、精度高、轉換速度快等優點。

1、硬件電路總體設計方案

　　對于常規小信號檢測，基本的思路是對信號進行放大，而對于像離子流這樣微弱的直流電流信號是不能直接進行放大處理的，需要先轉換為

　　電壓信號，即通過用于I/V 轉換的前置放大電路將微弱電流信號轉化為小電壓信號，并在轉換過程中實現一定倍數的放大。在離子流信號放大的同時噪聲和干擾也被放大，之后需要對信號進行整形濾波等處理，濾除高頻噪聲，再經過可編程增益放大器進一步放大到可讀取的信號。此信號經再次濾波后送到模/ 數轉換器(ADC)轉換為數字信號，由單片機進行控制和顯示。放大器增益的選擇由單片機發出指令進行控制。電路框圖如圖1 所示。

圖1 離子流放大電路框圖

　　為了實現對微電流快速精確的放大，本電路的設計原則是：選用高精度、高穩定度元器件;對來自于存在較強電磁干擾的高溫等離子體電離信號，采取一系列降噪措施。

2、微電流前置放大器

　　2.1、I/V 轉換電路

　　微電流測量方法常見的有高輸入阻抗法和積分法。積分法測量微電流可以減小噪聲的影響，但因采用了積分環節，電路響應時間長。作為快速響應離子規的測量電路積分環節不可取。高輸入阻抗法是將電流轉換為電壓，也稱為直放式微電流轉換法。微電流前置放大器實際上是一個I/V 轉換器，可以用運放直接搭接的方法(跨阻放大器) 實現，即充分利用運放“虛短”和“虛斷”的概念，將電流轉換為電壓信號，同時對信號進行適當的放大，原理如圖2 所示。

圖2 I/V 轉換電路

　　圖2 中，R0 為輸入保護電阻，R1 是跨接在放大器輸入端和輸出端的高阻，C1 是R1 并聯電容，它包括輸入端的雜散電容和布線分布電容。因為電流源內阻理論上為無窮大，實際上也能達到1010 Ω 量級以上。對于輸入阻抗與開環增益均為無窮大, 輸入偏置電流為無窮小的理想運放,則被測電流Iin 將全部流過反饋電阻R1, 則輸出電壓。

結語

　　本文設計的電離規離子流放大電路，動態范圍大，響應速度快，測量精度高，系統穩定性好，適合作為真空快速測量系統中離子流放大部分電路的設計參考。