DE102012020148A1 - Amplifier i.e. power amplifier, for amplifying electric current, has resistors changing resistor ratio of electric resistance of feedback resistor to electric resistance of intermediate resistor with change in temperature at specified range - Google Patents
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Abstract
Description
Die präzise, rückführbare Messung kleinster Ströme ist wegen des Rauschens der Stromverstärker sehr schwierig. Um Stromstärken im Bereich von 100 Pikoampere mit einer Messunsicherheit von 10–7 rückführbar innerhalb einer akzeptablen Messzeit bestimmen zu können, ist es wünschenswert, dass das eingangsbezogene Stromrauschen der Verstärkeranordnung etwa 1 fA/√Hz nicht übersteigt. Weiterhin muss die Anordnung eine außerordentlich hohe Temperatur- und Langzeitstabilität aufweisen.The precise, traceable measurement of very small currents is very difficult because of the noise of the current amplifiers. To be able to determine currents in the range of 100 picoamps with a measurement uncertainty of 10 -7 traceable within an acceptable measurement time, it is desirable that the input-related current noise of the amplifier arrangement does not exceed about 1 fA / √Hz. Furthermore, the arrangement must have an extremely high temperature and long-term stability.
Bekannte Messgeräte erreichen zwar ein hinreichend geringes Stromrauschen, die rückführbare Messunsicherheit ist jedoch zu hoch, um Stromstärken im Bereich von 100 Pikoampere auf 10–7 genau zu messen.Although known measuring devices achieve a sufficiently low current noise, the traceable measurement uncertainty is too high to accurately measure currents in the range of 100 picoamps to 10 -7 .
Stromverstärker auf Halbleiterbasis mit Feldeffekttransistoren weisen bis zu niedrigen Frequenzen herab ein akzeptables Stromrauschen auf, wenn Gegenkopplungswiderstände im Gigaohmbereich verwendet werden. Widerstände dieser Größenordnung, die üblicherweise als Drahtwiderstände oder in Dickschichttechnik hergestellt werden, besitzen im Allgemeinen aber nicht die nötige Temperatur- und Langzeitstabilität.Semiconductor-based power amplifiers with field effect transistors exhibit acceptable current noise down to low frequencies when negative feedback resistors in the giga ohm range are used. Resistors of this size, which are usually produced as wirewound resistors or in thick-film technology, but generally do not have the necessary temperature and long-term stability.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit bei vorgegebener Messzeit bei der Messung von elektrischen Strömen von höchstens 1000 Pikoampere zu erhöhen.The object of the invention is to increase the measurement accuracy for a given measuring time in the measurement of electric currents of at most 1000 picoamps.
Vorteilhaft an der Erfindung ist das geringe Eigenrauschen des Verstärkers. Da der hochohmige erste Gegenkopplungswiderstand und der niederohmige Widerstand in Form des Zwischen-Widerstands eine mit hoher Genauigkeit übereinstimmende Temperaturabhängigkeit zeigen, heben sich die von den beiden Widerständen verursachten Messungenauigkeiten gerade auf. Es kommt dann nicht mehr auf die absolute Temperaturstabilität der Widerstände an, sondern nur noch darauf, dass beide Widerstände bei Temperaturänderung das gleiche Verhalten zeigen.An advantage of the invention is the low inherent noise of the amplifier. Since the high-impedance first negative feedback resistance and the low resistance in the form of the intermediate resistor show a temperature dependence which matches with high accuracy, the measurement inaccuracies caused by the two resistors are just canceled out. It then no longer depends on the absolute temperature stability of the resistors, but only on the fact that both resistors show the same behavior with temperature change.
Die Stabilität des Widerstandsverhältnisses beträgt dabei zumindest 10–6, vorzugsweise zumindest 10–7. Der Begriff „hochohmig” bezieht sich darauf, dass der Gegenkopplungswiderstand einen höheren elektrischen Widerstand hat als der Zwischen-Widerstand. Die Langzeitstabilität des Widerstandsverhältnisses ist durch Verwendung einer Vielzahl von Dünnschichtwiderständen möglich. Zwar ist es möglich, dass sich die Widerstände selbst ändern, das Verhältnis hingegen bleibt mit hoher Genauigkeit konstant. Durch die Vielzahl an Widerständen mitteln sich zudem Fluktuationen des Widerstandsverhältnisses von Widerstandspaaren heraus.The stability of the resistance ratio is at least 10 -6 , preferably at least 10 -7 . The term "high impedance" refers to the fact that the negative feedback resistor has a higher electrical resistance than the intermediate resistor. The long-term stability of the resistance ratio is possible by using a plurality of thin-film resistors. Although it is possible that the resistors themselves change, the ratio remains constant with high accuracy. Due to the large number of resistors, fluctuations of the resistance ratio of pairs of resistances average out as well.
Vorzugsweise beträgt der elektrische Widerstand des Gegenkopplungswiderstands zumindest das Hundertfache des ohmschen Widerstands des Zwischen-Widerstands.Preferably, the electrical resistance of the negative feedback resistor is at least 100 times the ohmic resistance of the intermediate resistor.
Bevorzugt sind der hochohmige Gegenkopplungswiderstand und der Zwischen-Widerstand aus mittels einer Serienschaltung von zumindest 100 identisch dimensionierten Widerständen aufgebaut. So führen 1000 Widerstandspaare, bei denen das Gegenkopplungswiderstandselement 10 Megaohm hat und das Zwischen-Widerstandselement 10 Kiloohm, zu einem Gegenkopplungswiderstand von 10 Gigaohm und einem Zwischen-Widerstand von 10 Megaohm. Solche Widerstandspaare können einfach und mit einer hohen Genauigkeit hergestellt werden.Preferably, the high-impedance negative feedback resistor and the intermediate resistor are constructed by means of a series circuit of at least 100 identically dimensioned resistors. Thus, 1000 pairs of resistors in which the negative feedback resistor element has 10 megohms and the
Zweckmäßigerweise sind dazu beide Widerstände des Widerstandspaars, also der hochohmige Gegenkopplungswiderstand und der Zwischen-Widerstand, aus der gleichen Anzahl von Einzelwiderständen aufgebaut, so dass die Übereinstimmung des temperaturabhängigen Verhaltens möglichst hoch ist.Conveniently, both resistors of the resistor pair, so the high-impedance negative feedback resistor and the intermediate resistor, constructed from the same number of individual resistors, so that the match of the temperature-dependent behavior is as high as possible.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste hochohmige Gegenkopplungswiderstand eine Mehrzahl an Gegenkopplungswiderstandselementen gleichen elektrischen Widerstands auf und der Zwischen-Widerstand eine Mehrzahl an Zwischen-Widerstandselementen gleichen elektrischen Widerstands, wobei je ein Gegenkopplungswiderstandselement und ein Zwischen-Widerstandselement ein Widerstandspaar bilden. Insbesondere sind die Widerstandselemente eines Widerstandspaars örtlich benachbart angeordnet und/oder auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die Temperaturabhängigkeit von in unmittelbarer Nähe zueinander auf dem Substrat gefertigten Widerstandspaaren ist in guter Näherung identisch. Das Widerstandsverhältnis zwischen ohmschem Widerstand des Gegenkopplungswiderstandselements und ohmschem Widerstand des Zwischen-Widerstandselements bleibt mit hoher Genauigkeit auch dann konstant, wenn die beiden ohmschen Widerstände selbst sich ändern.According to a preferred embodiment, the first high resistance negative feedback resistor has a plurality of negative feedback resistive elements of equal electrical resistance and the intermediate resistance comprises a plurality of intermediate resistive elements of equal electrical resistance, with each negative feedback resistive element and intermediate resistive element forming a resistor pair. In particular, the resistance elements of a resistor pair are arranged locally adjacent and / or arranged on a common substrate. The temperature dependence of resistance pairs made in close proximity to one another on the substrate is, to a good approximation, identical. The resistance ratio between the ohmic resistance of the negative feedback resistance element and the ohmic resistance of the intermediate resistance element remains constant with high accuracy even when the two ohmic resistances themselves change.
Vorzugsweise sind die Widerstandspaare auf einem IC (integrated circuit, englisch für integrierten Schaltkreis) zusammengefasst.Preferably, the resistor pairs are combined on an integrated circuit (IC).
Besonders bevorzugt sind die Widerstände als Dünnschichtwiderstände ausgebildet. Dünnschichtwiderstände umfassen eine elektrisch leitende Schicht vorzugsweise von weniger als 500 nm auf einem elektrischen Isolator. Günstig ist es, wenn die Dünnschichtwiderstände in NiCr-Dünnschichttechnik hergestellt sind, wobei neben Schichten aus NiCr beispielsweise auch solche aus TaN2 oder SiCr verwendbar sind.Particularly preferably, the resistors are designed as thin-film resistors. Thin film resistors comprise an electrically conductive layer, preferably less than 500 nm, on an electrical insulator. It is advantageous if the thin-film resistors are produced in NiCr thin-film technology, wherein, in addition to layers of NiCr, for example, those of TaN 2 or SiCr are usable.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gegenkopplungswiderstandselemente und die Zwischen-Widerstandselemente auf einer Leiterplatte jeweils mäanderförmig und parallel zueinander angeordnet, wobei zwischen den Mäanderbahnen Ausnehmungen in der Leiterplatte angebracht sind. Mit Hilfe dieser Anordnung können Leckströme minimiert werden. Die Ausnehmungen können beispielsweise als Frässchnitte ausgeführt sein. Vorzugsweise sind unterhalb der Widerstandspaare Ausnehmungen zu einer Leiterplatte vorgesehen, auf der das Substrat befestigt ist, auf dem die Widerstandspaare angeordnet sind. Die Ausnehmungen verringern Leckströme in die Leiterplatte. According to a preferred embodiment, the negative feedback resistance elements and the intermediate resistance elements are respectively meandered on a printed circuit board and arranged parallel to each other, wherein recesses are mounted in the printed circuit board between the meandering tracks. By means of this arrangement, leakage currents can be minimized. The recesses can be designed, for example, as milling cuts. Preferably, recesses are provided below the resistor pairs to a printed circuit board, on which the substrate is fixed, on which the resistor pairs are arranged. The recesses reduce leakage currents in the circuit board.
Bei auf konventionelle Weise gefertigten Widerstandsnetzwerken in Dünnschichttechnik werden die Werte der einzelnen Widerstände im Regelfall durch die Länge der Widerstandsbahnen vorgegeben, das heißt, neben der Schichtdicke wird auch die Bahnbreite konstant gehalten. Unter diesen Bedingungen hätte ein niederohmiger Einzelwiderstand eine um ein Vielfaches kleinere Fläche als ein hochohmiger Einzelwiderstand und wäre daher bezüglich des Stromrauschens und der Spannungsabhängigkeit dominant. Diese Probleme können vermieden werden, wenn die beiden Einzelwiderstände eines Einzelwiderstandspaars in etwa flächengleich sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt daher das Flächenverhältnis zwischen der Fläche eines Gegenkopplungswiderstandselements und der Fläche eines Zwischen-Widerstandselements zwischen 0,9 und 1,1.Conventionally fabricated resistor networks in thin-film technology, the values of the individual resistors are usually given by the length of the resistance paths, that is, in addition to the layer thickness and the web width is kept constant. Under these conditions, a low-resistance single resistor would have a much smaller area than a high-impedance single resistor and would therefore be dominant in terms of current noise and voltage dependence. These problems can be avoided if the two individual resistors of a Einzelwiderstandspaars are approximately equal in area. Therefore, according to a preferred embodiment, the area ratio between the area of a negative feedback resistive element and the area of an intermediate resistive element is between 0.9 and 1.1.
Falls dies aufgrund von konstruktionstechnischen Gründen nicht realisierbar ist, so ist es vorteilhaft, wenn die Fläche des niederohmigen Einzelwiderstands zumindest 10% der Fläche des hochohmigen Einzelwiderstands beträgt.If this is not feasible due to design reasons, it is advantageous if the area of the low-resistance individual resistance is at least 10% of the area of the high-impedance individual resistance.
Der Verstärker kann mit einer über einen Normalwiderstand einkoppelbaren Kalibrierspannung, die alternativ sowohl auf den Stromeingang des ersten Operationsverstärkers als auch auf einen Ausgang zum Messgerät geschaltet werden kann, ausgestattet sein. Das Umschalten zwischen dem Stromeingang des ersten Operationsverstärkers und dem Ausgang zum Messgerät kann dabei beispielsweise mit einem Schalter erfolgen. Mittels einer solchen Anordnung lässt sich eine interne Kalibrierfunktion realisieren. Der Normalwiderstand wird dabei so in seiner Dimensionierung an den Verstärkungsfaktor des Verstärkers angepasst, dass durch einen Vergleich der Kalibrierspannung, die lediglich über dem Normalwiderstand abfällt, und der am Messgerät anliegenden Spannung, wenn die Kalibrierspannung auf den Stromeingang des ersten Operationsverstärker geschaltet ist, eine mögliche Drift des Verstärkers bestimmt werden kann, wodurch eine relativ einfache Kalibrierungsfunktion bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist auch eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Verstärker und einer Kalibriervorrichtung, die einen Quanten-Hall-Widerstand aufweist und so mit dem Verstärker verbunden ist, dass der Normalwiderstand kalibrierbar ist und/oder dass die Übertragungsfunktion des Verstärkers ermittelbar ist.The amplifier can be equipped with a calibrating voltage that can be coupled in via a normal resistance, which alternatively can be switched both to the current input of the first operational amplifier and to an output to the measuring device. The switching between the current input of the first operational amplifier and the output to the measuring device can be done, for example, with a switch. By means of such an arrangement, an internal calibration function can be realized. The normal resistance is adjusted in its dimensioning to the gain of the amplifier, that by a comparison of the calibration voltage, which only falls above the normal resistance, and the voltage applied to the meter, when the calibration voltage is switched to the current input of the first operational amplifier, a possible Drift of the amplifier can be determined, whereby a relatively simple calibration function is provided. According to the invention, an arrangement with an amplifier according to the invention and a calibration device, which has a quantum Hall resistance and is connected to the amplifier, that the normal resistance can be calibrated and / or that the transfer function of the amplifier can be determined.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Normalwiderstand wiederum um einen Metallfolienwiderstand, der ebenfalls durch eine Serienschaltung von zumindest 10 Einzelwiderständen, bevorzugt von zumindest 50 Einzelwiderständen, gebildet werden kann. Ungenauigkeiten der Einzelwiderstände heben sich so im Wesentlichen gegenseitig auf, so dass ein extrem hochwertiger langzeitstabiler Normalwiderstand entsteht.The normal resistance is again preferably a metal foil resistor, which can likewise be formed by a series connection of at least 10 individual resistors, preferably of at least 50 individual resistors. Inaccuracies of the individual resistors cancel each other out essentially so that an extremely high-quality long-term stable normal resistance arises.
Das erfindungsgemäße Widerstandspaar zeichnet sich dadurch aus, dass beide Einzelwiderstände paarweise auf einem gemeinsamen Substrat gefertigt sind, so dass ein niederohmiger Widerstand einem hochohmigen Widerstand zugeordnet ist, und wobei der Widerstandswert des hochohmigen Widerstands den Widerstandswert des niederohmigen Widerstands um zumindest den Faktor 100 übersteigt. Durch eine Anpassung eines solchen Widerstandspaars an eine bestimmte Aufgabenstellung lässt sich zum Beispiel ein oben beschriebener Verstärker zum Verstärken von kleinen elektrischen Strömen herstellen, indem gegebenenfalls eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Widerstandspaaren als Einzelwiderstandspaare in Serie geschaltet werden.The resistor pair according to the invention is characterized in that both individual resistors are manufactured in pairs on a common substrate, so that a low-resistance resistor is assigned to a high-resistance resistor, and wherein the resistance value of the high-resistance resistor exceeds the resistance value of the low-resistance resistor by at least a factor of 100. By adapting such a resistor pair to a specific task, for example, an amplifier as described above for amplifying small electrical currents can be produced by optionally connecting a large number of resistor pairs according to the invention as individual resistor pairs in series.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the figures. Show it
Der Verstärker
Der Gegenkopplungswiderstand
Der Zwischen-Widerstand
Der Verstärker
Eine mögliche Dimensionierung kann wie folgt aussehen: Jedes hochohmige Gegenkopplungswiderstandselement
Der Metallfolienwiderstand
Am Ausgang des Operationsverstärkers
Sowohl in der Detailansicht auf der rechten Seite als auch im makroskopischen Überblick auf der linken Seite von
Der gesamte Flächenbedarf der in
Es hat sich gezeigt, dass die Konstanz des Widerstandsverhältnissesund insbesondere die Konstanz eines Paar-Widerstandsverhältnissesfür das n-te Widerstandspaars
Bei einer mit einem Luftthermostaten ohne Weiteres erreichbaren Temperaturstabilität von ±0,1°C ergibt sich daraus eine Stabilität des Widerstandsverhältnisses eines Widerstandspaares
Der Verstärker
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Normalwiderstand
Beispielsweise kann zur internen Kalibrierung eine Spannung von ±0,48 V an den Normalwiderstand
In
Mittels dieser Anordnung ist eine hochpräzise Kalibrierung des Verstärkers
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- Verstärkeramplifier
- 44
- Stromeingangcurrent input
- 66
- Schalterswitch
- 77
- invertierender Einganginverting input
- 88th
- erster Operationsverstärkerfirst operational amplifier
- 99
- GegenkopplungswiderstandNegative feedback resistor
- 1010
- Zwischen-WiderstandIntermediate resistance
- 1111
- Widerstandsketteresistor chain
- 1212
- Widerstandspaarresistor pair
- 1414
- GegenkopplungswiderstandselementNegative feedback resistor element
- 1515
- Ausgangoutput
- 1616
- Zwischen-WiderstandselementIntermediate resistance element
- 1717
- invertierender Einganginverting input
- 1818
- zweiter Operationsverstärkersecond operational amplifier
- 2020
- MetallfolienwiderstandMetal foil resistor
- 2222
- Spannungsausgangvoltage output
- 2424
- Widerstandresistance
- 2525
- Kapazitätcapacity
- 2626
- Widerstandresistance
- 2828
- Widerstandresistance
- 3030
- Frässchnittegrinding cuts
- 3232
- Schalterswitch
- 3434
- Spannungsquellevoltage source
- 3636
- Normalwiderstandnormal resistance
- 3838
- PrimärstromquellePrimary power source
- 4040
- SekundärstromquelleSecondary power source
- 4242
- Normalwiderstandnormal resistance
- 4444
- Spannungsmessgerätvoltmeter
- 4646
- CCCCCC
- 4848
- Dämpfungdamping
Claims (9)
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