專(zhuān)利名稱(chēng)：具有快速響應(yīng)的寬動(dòng)態(tài)范圍靜電計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于測(cè)量電流的方法以及系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及用于快速地測(cè)量具有寬動(dòng)態(tài)范圍的電流的方法以及系統(tǒng)。背景靜電計(jì)測(cè)量極低電平的寬范圍的電流。例如，質(zhì)譜儀使用具有從小于0. 1皮安 (pA)到10.0飛安(fA)的八個(gè)數(shù)量級(jí)的覆蓋范圍的電流傳感器。測(cè)量電流的最直接方法是在反饋配置中使用運(yùn)算放大器。

圖1示出其中電阻器R(IOl)是反饋元件的反饋配置。運(yùn)算放大器30包括反相輸入32A、非反相輸入32B和輸出34。電阻器R電耦合在放大器30 的輸出34和放大器30的反相輸入32A之間，以形成反饋回路。非反相輸入32B接地。在該配置中，輸出電壓Vout根據(jù)以下關(guān)系與輸入電流I in相關(guān)Vout = IinR。然而，此類(lèi)配置具有許多問(wèn)題。對(duì)于給定帶寬和溫度，輸入電流噪聲與電阻器R的電阻的平方根成反比。因此，隨著電阻器R的電阻降低，輸入電流噪聲增加(類(lèi)似地，隨著電阻器R的電阻增加，輸入電流噪聲減少)。輸入電流噪聲還與帶寬和絕對(duì)溫度的平方根成正比。確定響應(yīng)時(shí)間的帶寬由反饋電阻器R的值和其固有電容以及任何雜散電容形成的時(shí)間常數(shù)支配。為了改進(jìn)響應(yīng)時(shí)間， 通過(guò)選擇具有小電阻值的電阻器R來(lái)減小時(shí)間常數(shù)。但是，部分地由于增大的帶寬和部分地由于較小的電阻，這具有增加噪聲的效果。積分可用于減少噪聲。噪聲與積分時(shí)間的平方根成反比。因此，隨著積分時(shí)間增力口，噪聲減少。但是，積分有效地降低帶寬并增加靜電計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。積分時(shí)間和帶寬之間的關(guān)系為Bw = -^― Hz。
π-T由此，一秒積分時(shí)間等效于0. 318Hz的帶寬。并且隨著積分時(shí)間增加，帶寬減小， 由此增加響應(yīng)時(shí)間。使用具有單個(gè)反饋電阻器R的運(yùn)算放大器的靜電計(jì)還具有有限的動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍由可測(cè)量的最大信號(hào)與RMS噪聲電平的兩倍的比率確定，這可表示可適當(dāng)?shù)貦z測(cè)的
最小信號(hào)。對(duì)于10伏特的滿(mǎn)標(biāo)度信號(hào)，滿(mǎn)標(biāo)度電流將是g安培。電阻器R兩端的電壓噪
K
聲由ViT^Oi伏特RMS給出，其中K= 1.38 X 10_23(玻爾茲曼常數(shù))、T =以。K 為單位的絕對(duì)溫度、R =以歐姆為單位的電阻、而B(niǎo)w =以赫茲為單位的帶寬(假設(shè)磚墻式 (brick-wall)濾波器)。因此，等效電流噪聲將是
^lA-K-T-R-Bw
R安培RMS。 如果最小可檢測(cè)信號(hào)是噪聲的兩倍，則動(dòng)態(tài)范圍將是
權(quán)利要求
1.一種靜電計(jì)，包括具有反相輸入、非反相輸入和輸出的放大器；各自具有第一端和第二端的第一和第二電阻元件，所述第一和第二電阻元件的第一端電耦合到所述放大器的反相輸入，而所述第一電阻元件的第二端電耦合到所述放大器的輸出；具有高阻抗輸入且具有輸出的緩沖器，所述第二電阻元件的第二端電耦合到所述緩沖器的輸入；以及使所述放大器的輸出電耦合到所述第二電阻元件的第二端的至少一個(gè)二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述緩沖器是具有反相輸入、非反相輸入和輸出的第二放大器，所述第二放大器的輸出電耦合到所述第二放大器的反相輸入，所述第二放大器的非反相輸入是所述緩沖器的輸入，而所述第二放大器的輸出是所述緩沖器的輸出。
3.如權(quán)利要求1的靜電計(jì)，其特征在于，還包括電耦合到所述放大器和緩沖器的輸出的計(jì)算單元，所述計(jì)算單元被配置成基于所述第一和第二電阻元件的電阻值以及所述放大器和緩沖器的輸出處的電壓電平計(jì)算電流電平。
4.如權(quán)利要求1所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述第二電阻元件的電阻大于所述第一電阻元件的電阻。
5.如權(quán)利要求4所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述第一電阻元件在10兆歐和100兆歐之間，而所述第二電阻元件在5千兆歐姆和50千兆歐姆之間。
6.如權(quán)利要求4所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述電阻元件的電阻之間的比率大于10。
7.如權(quán)利要求1所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述至少一個(gè)二極管包括具有第一端和第二端的第一二極管以及低泄漏和低電容第二二極管，所述第二二極管的第一端電耦合到所述緩沖器的輸入，所述第二二極管的第二端電耦合到第一二極管。
8.如權(quán)利要求7的靜電計(jì)，其特征在于，還包括將所述第二二極管的第二端電耦合到地的第三電阻元件。
9.如權(quán)利要求7所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述第一二極管是小信號(hào)硅二極管。
10.如權(quán)利要求7所述的靜電計(jì)，其特征在于，還包括電容器；以及具有輸入和輸出的可調(diào)增益放大器，所述可調(diào)增益放大器的輸入電耦合到所述第二二極管的第二端，所述可調(diào)增益放大器的輸出通過(guò)所述電容器電耦合到所述第二二極管的第一端，所述可調(diào)增益放大器被配置成使具有與所述第二二極管中的電荷相反的電荷的所述電容器放電。
11.如權(quán)利要求1所述的靜電計(jì)，其特征在于，還包括耦合到至少所述第二二極管、所述放大器和所述緩沖器的溫度控制器。
12.如權(quán)利要求1所述的靜電計(jì)，其特征在于，所述至少一個(gè)二極管包括成對(duì)的二極管，每一對(duì)并聯(lián)地電耦合，并且被安排成具有相反的極性。
13.如權(quán)利要求1所述的靜電計(jì)，其特征在于，還包括第一去假頻濾波器和第二去假頻濾波器，所述第一去假頻濾波器電耦合到所述放大器的輸出，所述第二去假頻濾波器電耦合到所述緩沖器的輸出；以及第一模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器和第二 A/D轉(zhuǎn)換器，所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器電耦合到所述第一去假頻濾波器的輸出，所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器電耦合到所述第二去假頻濾波器的輸出、所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器和所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器。
14.一種用于測(cè)量電流的方法，包括感測(cè)放大器的輸出處的第一電壓；如果所述第一電壓在預(yù)定電平以下，則基于所述第一電壓以及電耦合在所述放大器的反相輸入和所述放大器的輸出之間的第一電阻元件的電阻計(jì)算電流；以及感測(cè)緩沖器的輸出處的第二電壓；如果從所述放大器輸出的電壓在所述預(yù)定電平以上，則基于所述第一和第二電壓以及所述第一電阻元件和第二電阻元件的電阻計(jì)算電流，所述第二電阻元件電耦合在所述放大器的反相輸入和所述緩沖器的輸入之間。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，還包括對(duì)電耦合在所述緩沖器的輸入和所述放大器的輸出之間的多個(gè)二極管中的至少一個(gè)的正向電壓中的改變采樣；以及將第一電荷注入所述多個(gè)二極管中的至少一個(gè)，所述第一電荷與所述多個(gè)二極管中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)的第二電荷相反。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，還包括調(diào)節(jié)所述第一電荷的電平以與所述多個(gè)二極管中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)的所述第二電荷相匹配。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，感測(cè)所述電壓包括讀取從電耦合到所述放大器的輸出的第一 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的第一電壓數(shù)據(jù)、以及讀取從電耦合到所述緩沖器的輸出 的第二 A/D轉(zhuǎn)換器輸出的第二電壓數(shù)據(jù)。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括將零輸入信號(hào)施加到所述放大器的反相輸入；以及從所述第一 A/D轉(zhuǎn)換器讀取第一電壓數(shù)據(jù)以獲取零輸入電壓數(shù)據(jù)，其中基于所述第一電阻元件的電阻計(jì)算電流包括計(jì)算所述第一電壓數(shù)據(jù)和所述零輸入電壓數(shù)據(jù)之間的差值、 以及將該結(jié)果除以所述第一電阻元件的電阻以獲取第一電流數(shù)據(jù)。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，還包括從所述第二 A/D轉(zhuǎn)換器讀取第二電壓數(shù)據(jù)以獲取第二零輸入電壓數(shù)據(jù)，其中基于所述第一電阻元件和第二電阻元件的電阻計(jì)算電流包括計(jì)算所述第二電壓數(shù)據(jù)和第二零輸入電壓數(shù)據(jù)之間的差值、將該結(jié)果除以所述第二電阻元件的電阻以獲取第二電流數(shù)據(jù)、以及對(duì)所述第一電流數(shù)據(jù)和所述第二電流數(shù)據(jù)求和。
全文摘要
用于測(cè)量電流的方法以及裝置包括如果第一電壓在預(yù)定電平以下，則感測(cè)放大器的輸出處的第一電壓、以及基于第一電壓和第一電阻元件的電阻計(jì)算電流，該第一電阻元件電耦合在放大器的反相輸入和放大器的輸出之間。該方法還包括如果從放大器輸出的電壓在預(yù)定電平以上，則感測(cè)緩沖器的輸出處的第二電壓、以及基于第一和第二電壓以及第一電阻元件和第二電阻元件的電阻計(jì)算電流，該第二電阻元件電耦合在放大器的反相輸入和緩沖器的輸入之間，并且還通過(guò)至少一個(gè)二極管電耦合到放大器的輸出。
文檔編號(hào)H03F3/45GK102472774SQ201080032648
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月16日
發(fā)明者W·R·弗萊切 申請(qǐng)人:Mks儀器股份有限公司