DE112010002926B4

DE112010002926B4 - Elektrometer mit breitem Dynamikbereich und schneller Reaktion

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Publication number: DE112010002926B4
Application number: DE112010002926.1T
Authority: DE
Inventors: William Roger Fletcher
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2018-09-27
Anticipated expiration: 2030-07-01
Also published as: US20110012588A1; US8278909B2; CN102472774B; GB2484245A; KR101354080B1; JP5815519B2; TW201129808A; TWI440859B; CN102472774A; SG188868A1; GB201201869D0; DE112010002926T5; US8415942B2; GB2484245B; SG177479A1; US20120086434A1; WO2011008569A1; JP2012533736A; KR20120037013A

Abstract

Elektrometer (200), umfassend:
einen Verstärker (210), der einen invertierenden Eingang (211), einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang hat;
erste und zweite Widerstandselemente (231, 232), die jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, wobei die ersten Enden der ersten und zweiten Widerstandselemente (231, 232) elektrisch mit dem invertierenden Eingang (211) des Verstärkers (210) verbunden sind und das zweite Ende des ersten Widerstandselementes (231) elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkers (210) verbunden ist;
einen Puffer (220, 240), der einen hochohmigen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei das zweite Ende des zweiten Widerstandselementes (232) mit dem Eingang (221) des Puffers (220, 240) verbunden ist; und
eine oder mehrere Diode/n (201, 202, 203, 204, 205), die elektrisch den Ausgang des Verstärkers (210) und das zweite Ende des zweiten Widerstandselementes (232) verbindet/n, wobei das zweite Widerstandselement (232) parallel zum ersten Widerstandselement (231) ist, wenn sämtliche der einen oder mehreren Diode/n (201, 202, 203) leitend ist/sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren und Systeme zum Messen von elektrischen Strömen. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Systeme zum schnellen Messen von elektrischen Strömen in einem breiten Dynamikbereich.
STAND DER TECHNIK
Elektrometer messen einen breiten Bereich von Strömen bei äußerst niedrigen Werten. Zum Beispiel verwenden Massenspektrometer Stromsensoren, die einen Bereich von acht Dekaden abdecken, die von weniger als 0,1 Pikoampere (pA) bis zu 10,0 Femtoampere (fA) reichen. Die einfachste Möglichkeit zum Messen von Strom ist die Verwendung eines Operationsverstärkers in der Rückkopplungskonfiguration. 1 illustriert eine Rückkopplungskonfiguration, bei der der Widerstand R (101) das Rückkopplungselement ist. Der Operationsverstärker 30 umfasst einen invertierenden Eingang 32A, einen nicht-invertierenden Eingang 32B und einen Ausgang 34. Widerstand R liegt elektrisch zwischen dem Ausgang 34 des Verstärkers 30 und dem invertierenden Eingang 32A des Verstärkers 30, um eine Rückkopplungsschleife zu bilden. Der nicht-invertierende Eingang 32B ist geerdet. Bei dieser Konfiguration steht die Ausgangsspannung Vout folgendermaßen in Beziehung zum Eingangsstrom Iin: $V o u t = I i n R$
Eine solche Konfiguration weist jedoch eine Reihe von Problemen auf. Für eine gegebene Bandbreite und Temperatur ist das Eingangsstromrauschen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Widerstandswertes von Widerstand R. Wenn sich also der Widerstandswert von Widerstand R verringert, erhöht sich das Eingangsstromrauschen (analog verringert sich das Eingangsstromrauschen, wenn sich der Widerstandswert von Widerstand R erhöht).
Das Eingangsstromrauschen ist auch zur Quadratwurzel der Bandbreite und der absoluten Temperatur proportional. Die Bandbreite, die die Reaktionszeit bestimmt, wird durch die Zeitkonstante beherrscht, die aus dem Wert des Rückkopplungswiderstandes R und seiner inhärenten Kapazität sowie eventueller Streukapazitäten gebildet wird. Zur Verbesserung der Reaktionszeit kann die Zeitkonstante durch Wählen eines Widerstandes R mit einem kleinen Widerstandswert reduziert werden. Dies hat jedoch die Wirkung, dass sich das Rauschen teilweise wegen der erhöhten Bandbreite und teilweise wegen eines kleineren Widerstandes erhöht.
Zum Reduzieren des Rauschens kann das Integrieren verwendet werden. Das Rauschen ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Integrationszeit. Wenn sich also die Integrationszeit erhöht, verringert sich das Rauschen. Die Integration reduziert jedoch effektiv die Bandbreite und erhöht die Reaktionszeit des Elektrometers. Die Beziehung zwischen der Integrationszeit und der Bandbreite ist $B w = \frac{1}{π T} H z .$
Eine Integrationszeit von einer Sekunde ist also äquivalent zu einer Bandbreite von 0,318 Hz. Und wenn sich die Integrationszeit erhöht, verringert sich die Bandbreite und erhöht damit die Reaktionszeit.
Ein Elektrometer, das einen Operationsverstärker mit einem einzelnen Rückkopplungswiderstand nutzt, erfährt auch einen begrenzten Dynamikbereich. Der Dynamikbereich wird durch das Verhältnis des größten Signals, das gemessen werden kann, zum Zweifachen des RMS-Rauschniveaus bestimmt, das das kleinste Signal darstellen kann, welches angemessen detektiert werden kann. Für ein Full-Scale-Signal von 10 Volt ist der Full-Scale-Strom $\frac{10}{R}$
Ampere. Das Spannungsrauschen über dem Widerstand R ist gegeben durch $\sqrt{4 K T R B w} Volt RMS,$

wobei K = 1,38 × 10^-23 (Boltzmannsche Konstante), T = absolute Temperatur in °K, R = Widerstand in Ohm und Bw = Bandbreite in Hertz (wobei ein Rechteck-Tiefpassfilter angenommen wird) ist. Daher ist das äquivalente Stromrauschen $\frac{4 K T R B w}{R} Ampere RMS .$
Wenn das kleinste feststellbare Signal das Zweifache des Rauschens ist, dann ist der Dynamikbereich $\frac{5}{\sqrt{4 K T R B w}} : 1$

Tabelle 1 unten listet die Dynamikbereiche auf, die mit verschiedenen Widerständen und Bandbreiten bei einer absoluten Temperatur von 300° K erhalten werden können: Tabelle 1

Widerstandswerte in Ohm	Bandbreite
Widerstandswerte in Ohm	1 Hz	10 Hz	100 Hz	1 kHz
50 M	5,49 × 10⁶	1,74 × 10⁶	5,49 × 10⁵	1,74 × 10⁵
100 M	3,89 × 10⁶	1,25 × 10⁶	3,89 × 10⁵	1,23 × 10⁵
1G	1,23 × 10⁶	3,89 × 10⁵	1,23 × 10⁵	3,89 × 10⁴
10 G	3,89 × 10⁵	1,23 × 10⁵	3,89 × 10⁴	1,23 × 10⁴
100 G	1,23 × 10⁵	3,89 × 10⁴	1,23 × 10⁴	3,89 × 10³

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wird der beste Dynamikbereich mit Widerständen erreicht, die niedrigere Widerstandswerte haben. Bei einigen Anwendungen beträgt der maximal verfügbare Signalstrom etwa 200 nA, was bei einem 10-Volt-Signal einem Widerstand von 50 Megaohm entspricht. Jedoch kann kein Rückkopplungswiderstand R mit einem Widerstandswert von weniger als 50 Megaohm verwendet werden, um einen besseren Dynamikbereich zu erreichen, weil die Endwertausgabe nicht möglich wäre. Wenn ein großer Eingangsstrom auf einen Rückkopplungswiderstand R mit einem Widerstandswert von weniger als 50 Megaohm angewendet wird, würde die Spannungsausgabe Vout in die Sättigung gehen (d.h. Vout ist gleich dem Quellspannungsniveau, angelegt an den Operationsverstärker 30).
Eine Möglichkeit, den Dynamikbereich zu vergrößern, besteht im Hinzufügen einer Widerstandsbank, die die Widerstände Ra, Rb und Rc (102a-c) und Schalter oder Relais Sa, Sb und Sc (103a-c) umfasst (wie in 1 gezeigt), die für wählbare Widerstandswerte sorgen. Solch eine Widerstandsbank hat jedoch mehrere Nachteile. Erstens sind Schalter mit minimalem Leckstrom kompliziert und daher teuer. Zweitens induzieren Schalter mit Relais elektrostatische Felder und führen andere Störungen ein, die das Eingangsstromsignal stören. Drittens führt die Verwendung von Schaltern zu längeren Einschwingzeiten beim Schalten zwischen Widerständen. Und schließlich erfahren Schalter Probleme mit der Erholungszeit von Überlastungen, wenn ein Over-Scale-großes Eingangssignal an einen Widerstand mit einem hohen Widerstandswert angelegt wird. Ferner offenbart das Dokument DE 10 2007 030 172 A1 ein Strommessgerät umfassend einen Operationsverstärker, der als Strom-Spannungswandler ausgebildet ist. Dieses Strommessgerät umfasst einen Widerstand mit einem hohen Widerstandswert, welcher in Reihe mit einem Widerstand geschaltet ist, welcher einen geringen Widerstandswert aufweist. Darüber hinaus ist aus dem Dokument GB 2 336 217 A eine Vorrichtung zur Strommessung, auf der Basis von angelegter Spannung, mit einem Operationsverstärker bekannt, wobei die Vorrichtung beispielsweise zur Überprüfung verwendet werden kann, um festzustellen, ob die Gleichstromcharakteristik der einzelnen Anschlüsse eines integrierten Halbleiterschaltungselements in einen vorbestimmten Bereich fällt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche definiert und weist allgemein ein System und Verfahren zum Messen von Strömen auf. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass sie schnellere Strommessungen über einen breiten Dynamikbereich von Hunderten von Nanoampere bis hinunter zu Femtoampere zur Verfügung stellt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sie Sättigungs- oder Überlastprobleme beseitigt, die mangelhafte Daten ergeben und zu Problemen mit der Erholungszeit bei Überlast führen.
Die Erfindung weist in einem ersten Aspekt ein Elektrometer auf. Das Elektrometer umfasst einen Verstärker, Widerstandselemente, einen Puffer mit einem hochohmigen Eingang und mindestens eine Diode. Der Verstärker weist einen invertierenden Eingang, einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang auf. Die Widerstandselemente umfassen ein erstes Widerstandselement und ein zweites Widerstandselement. Jedes Widerstandselement hat ein erstes Ende und ein zweites Ende. Die ersten Enden der Widerstandselemente sind elektrisch mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers verbunden. Das zweite Ende des ersten Widerstandselementes ist elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. Der Puffer weist einen Eingang und einen Ausgang auf. Das zweite Ende des zweiten Widerstandselementes ist elektrisch mit dem Eingang des Puffers verbunden. Die mindestens eine Diode liegt elektrisch zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem zweiten Ende des zweiten Widerstandselementes.
In einigen Ausführungsformen ist der Puffer ein zweiter Verstärker, der einen invertierenden Eingang, einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang aufweist. Der Ausgang des zweiten Verstärkers ist elektrisch mit dem invertierenden Eingang des zweiten Verstärkers verbunden. In dieser Konfiguration ist der nicht-invertierende Eingang des zweiten Verstärkers der Eingang des Puffers und der Ausgang des zweiten Verstärkers ist der Ausgang des Puffers.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Elektrometer auch eine Recheneinheit, die elektrisch mit den Ausgängen des Verstärkers und des Puffers verbunden ist. Die Recheneinheit berechnet einen Strompegel auf der Grundlage der Widerstandswerte und der Spannungspegel an den Ausgängen des Verstärkers und des Puffers.
In einigen Ausführungsformen ist der Widerstand des ersten Widerstandselementes größer als der Widerstand des zweiten Widerstandselementes. Der Widerstand des zweiten Widerstandselementes kann zwischen 10 Megaohm und 100 Megaohm betragen, und der Widerstand des zweiten Widerstandselementes kann zwischen 5 Gigaohm und 50 Gigaohm betragen. In einigen Ausführungsformen ist das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der Widerstandselemente größer als 10.
In einigen Ausführungsformen umfassen die mehreren Dioden eine erste Diode und eine verlustarme zweite Diode geringer Kapazität, von denen jede ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist. Das erste Ende der zweiten Diode ist elektrisch mit dem Eingang des Puffers verbunden, und das zweite Ende der zweiten Diode ist elektrisch mit der ersten Diode verbunden. In einigen Ausführungsformen ist die erste Diode eine Kleinsignalsiliziumdiode. In einigen Ausführungsformen umfasst das Elektrometer auch ein drittes Widerstandselement, das elektrisch das zweite Ende der zweiten Diode mit der Erde verbindet.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Elektrometer auch einen Kondensator und einen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, der einen Eingang und einen Ausgang aufweist. Der Eingang des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung kann elektrisch mit dem zweiten Ende der zweiten Diode verbunden sein. Der Ausgang des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung kann elektrisch mit dem ersten Ende der zweiten Diode über den Kondensator verbunden sein. Der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung ist so konfiguriert, dass er den Kondensator mit einer Ladung entlädt, die der Ladung in der zweiten Diode entgegengesetzt ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Elektrometer auch einen Temperaturregler, der zumindest mit der zweiten Diode, dem Verstärker und dem hochohmigen Puffer verbunden ist. In einigen Ausführungsformen umfassen die mehreren Dioden Paare von Dioden, wobei die Dioden in jedem Paar elektrisch parallel geschaltet und mit umgekehrter Polarität angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen umfasst das Elektrometer ein erstes Anti-Aliasing-Filter und ein zweites Anti-Aliasing-Filter. Das erste Anti-Aliasing-Filter ist elektrisch mit dem Eingang des Verstärkers verbunden, und das zweite Anti-Aliasing-Filter ist elektrisch mit dem Ausgang des Puffers verbunden. Das Elektrometer umfasst auch einen ersten Analog-Digital-(A/D)-Wandler und einen zweiten A/D-Wandler. Der erste A/D-Wandler ist elektrisch mit dem Ausgang des ersten Anti-Aliasing-Filters verbunden, und der zweite A/D-Wandler ist elektrisch mit dem Ausgang des zweiten Anti-Aliasing-Filters verbunden.
Die Erfindung weist in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Messen von Strom auf. Das Verfahren umfasst das Sensieren einer ersten Spannung am Ausgang eines Verstärkers und das Berechnen eines Stroms basierend auf der ersten Spannung und des Widerstandes eines ersten Widerstandselementes, das elektrisch mit einem invertierendem Eingang des Verstärkers und einem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, wenn die erste Spannung unter einem vorgegebenen Pegel liegt Das Verfahren umfasst auch das Sensieren einer zweiten Spannung an einem Ausgang eines Puffers und Berechnen eines Stroms basierend auf der ersten und zweiten Spannung und der Widerstände des ersten Widerstandselementes und eines zweiten Widerstandselementes, das elektrisch mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers und einem Eingang des Puffers verbunden ist, wenn die Spannungsausgabe aus dem Verstärker oberhalb des vorgegebenen Pegels liegt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Abtasten der Änderung in der Durchlassspannung von mindestens einer der mehreren Dioden, die elektrisch zwischen dem Eingang des Puffers und dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt sind, sowie das Einspeisen einer ersten Ladung in die mindestens eine der mehreren Dioden. Die erste Ladung ist einer zweiten Ladung entgegengesetzt, die mit mindestens einer der mehreren Dioden assoziiert ist. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch das Einstellen der Höhe der ersten Ladung zur Anpassung an die zweite Ladung, welche mit mindestens einer der mehreren Dioden assoziiert ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Abtasten der Spannungen das Lesen der ersten Spannungsdatenausgabe aus einem ersten A/D-Wandler, der elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und das Lesen der zweiten Spannungsdatenausgabe aus einem zweiten A/D-Wandler, der elektrisch mit dem Ausgang des Puffers verbunden ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch das Anlegen eines Nulleingangssignals an den invertierenden Eingang des Verstärkers und das Lesen der ersten Spannungsdaten vom ersten A/D-Wandler, um Nulleingangsspannungsdaten zu erhalten. In diesen Ausführungsformen umfasst das Berechnen eines Stroms basierend auf dem Widerstandswert des ersten Widerstandselementes das Berechnen der Differenz zwischen den ersten Spannungsdaten und den Nulleingangsspannungsdaten und das Dividieren des Ergebnisses durch den Widerstandswert des ersten Widerstandselementes, um die ersten Stromdaten zu erhalten. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch das Lesen der zweiten Spannungsdaten aus dem zweiten A/D-Wandler, um zweite Nulleingangsspannungsdaten zu erhalten. In diesen Ausführungsformen umfasst das Berechnen eines Stroms basierend auf den Widerstandswerten des ersten Widerstandselementes und des zweiten Widerstandselementes das Berechnen der Differenz zwischen den zweiten Spannungsdaten und den zweiten Nulleingangsspannungsdaten und das Dividieren des Ergebnisses durch den Widerstandswert des zweiten Widerstandselementes, um zweite Stromdaten zu erhalten, und Summieren der ersten Stromdaten und der zweiten Stromdaten.
Figurenliste
Die vorhergehenden und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Erfindung selbst sind aus der folgenden erläuternden Beschreibung besser zu verstehen, wenn sie zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, gelesen werden.

1 ist eine schematische Darstellung eines Elektrometers gemäß dem Stand der Technik.
Die 2A-2C sind schematische Darstellungen von Elektrometern entsprechend illustrativen Ausführungsformen der Erfindung.
3 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Messen von Strom entsprechend einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung.
4 ist ein Flussdiagramm eines Prozesses zum Berechnen eines Stromwertes basierend auf der Spannungsdatenausgabe aus den A/D-Wandtern des Systems von 3 entsprechend einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung.
5 ist eine schematische Darstellung eines Elektrometers entsprechend einer weiteren illustrativen Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine grafische Darstellung, die das Verhalten des Elektrometers von 5 in Bezug auf Rauschen illustriert.
Die 7A-7C sind grafische Darstellungen, die das Verhalten des Elektrometers von 5 in Bezug auf die Einschwingzeit illustrieren.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
2A ist eine schematische Darstellung eines Elektrometers 200 entsprechend einer illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Das Elektrometer 200 umfasst zwei Elektrometerverstärker mit hochohmigem Eingang A1 und A2 (210, 220), wie zum Beispiel Operationsverstärker AD549. Das Elektrometer 200 umfasst auch die Widerstände R1 und R2 (231, 232). In dieser Ausführungsform hat Widerstand R1 einen Widerstandswert von 20 Gigaohm, und Widerstand R2 hat einen niedrigeren Widerstandswert von 50 Megaohm. Das erste Ende 237 von Widerstand R1 ist elektrisch mit dem invertierenden Eingang 211 von Verstärker A1 (210) verbunden, und das zweite Ende 239 von Widerstand R1 ist elektrisch mit dem Ausgang 212 von Verstärker A1 verbunden. Diese Konfiguration von Verstärker A1 und Widerstand R1 bildet einen Strom-Spannungswandier.
Das Elektrometer 200 umfasst auch drei Dioden, die in Reihe geschaltet sind, D1, D2, D3 (201-203). In einigen Ausführungsformen sind die Dioden D1 (201) und D2 (202) Kleinsignalsiliziumdioden (z.B. die Dioden vom Typ 1N4148), und Diode D3 (203) ist eine sehr verlustarme und kapazitätsarme Diode (z.B. die Diode vom Typ FJH1100). Das erste Ende 234 von Widerstand R2 ist elektrisch mit dem invertierenden Eingang 211 von Verstärker A1 verbunden, und das zweite Ende 236 von Widerstand R2 ist elektrisch mit dem Ausgang von Verstärker A1 über die drei Dioden 201-203 verbunden, die in Reihe geschaltet sind. Das zweite Ende 236 von Widerstand R2 ist auch mit dem nicht-invertierenden Eingang 221 von Verstärker A2 (220) verbunden, der als Pufferverstärker mit einem hochohmigen Eingang durch elektrische Verbindung des Ausgangs 222 von Verstärker A2 mit dem invertierenden Eingang 223 von Verstärker A2 konfiguriert ist. Die Spannung am Ausgang von Verstärker A2 stellt die Spannung an der Kathode 209 von Diode D3 dar. Der Verstärker 220, der als Puffer mit einem hochohmigen Eingang konfiguriert ist, verhindert, dass eine andere Schaltung, die elektrisch mit dem zweiten Ende von Widerstand R2 verbunden ist, das Elektrometer lädt und seinen Betrieb stört.
Wenn ein ansteigendes Stromsignal Iin an den invertierenden Eingang 211 von Verstärker A1 angelegt wird, beginnt die Spannung am Ausgang von Verstärker A1 zu steigen. Wenn die Dioden D1 und D2 zu leiten anfangen, tritt ein Spannungssignal an der Anode 207 von Diode D3 auf. Wenn das Stromsignal weiter ansteigt, fängt Diode D3 zu leiten an, und ein Strom I2 fließt durch Widerstand R2. Nachdem Diode D3 anfängt zu leiten und wenn man annimmt, dass die Eingangsströme und Offsetspannungen der Verstärker A1 und A2 vernachlässigbar sind, ist der Eingangsstrom Iin, der an den invertierenden Eingang 211 von Verstärker A1 angelegt ist, gleich der Summe von Strom I1 über Widerstand R1 und Strom I2 über Widerstand R2. Strom I1 ist gleich der Ausgangsspannung V1 dividiert durch den Widerstandswert von Widerstand R1, und Strom I2 ist gleich der Spannung an der Kathode 209 von Diode D3 dividiert durch den Widerstandswert von Widerstand R2. Der Strom lin ist daher durch die folgende Gleichung gegeben: $I i n = I 1 + I 2 = \frac{V 1}{R 1} + {\frac{V 2}{R 2}}_{.}$
Strom I2 kann durch Widerstand R2 nur fließen, wenn die Ausgangsspannung V1 größer als die Summe der Durchlassspannungen (Vf) der drei Dioden (D1, D2 und D3) ist, die in Reihe geschaltet sind. Im Ergebnis dessen setzt sich bei sehr niedrigen Strömen die Ausgangsspannung V2 vollständig aus dem Rauschen von Widerstand R2 zusammen, und die Ausgangsspannung V1 stellt den gesamten Eingangsstrom dar.
Bei größeren Eingangsströmen, bei denen die Ausgangsspannung V1 größer als die Durchlassspannung der Dioden D1, D2 und D3 ist, fließt Strom I2 durch Widerstand R2, und der Eingangsstrom wird durch die Ausgangsspannungen V1 und V2 repräsentiert. Die Ausgangsspannungen V1 und V2 können mit einzelnen A/D-Wandlern verbunden werden, so dass ihre Datenausgänge durch digitale Logikschaltungen oder ein Softwareprogramm, das auf einem Computerprozessor läuft, gelesen werden können.
Der Full-Scale-Strom wird weitgehend durch Widerstand R2 bestimmt; wenn aber das Softwareprogramm nur die Ausgangsspannung V1 aufzeichnet und die Ausgangsspannung V2 ignoriert, falls die Ausgangsspannung V1 kleiner als Vf der Dioden ist, dann wird das Rauschen durch R1 bestimmt, und das Rauschen von R2 ist irrelevant. Dieser Wirkung verleiht der Elektrometerschaltung einen Dynamikbereich, der breiter als normal ist, da R2 den Full-Scale-Bereich bestimmt und R1 das Grundrauschen bestimmt. Die Erfindung kombiniert also die Vorzüge des Full-Scale-Bereichs durch einen niedrigeren Wert von Widerstand R2 mit den Vorzügen von geringerem Rauschen durch den höheren Widerstandswert von Widerstand R1.
Solange die Dioden D1, D2 und D3 leiten, sind R1 und R2 effektiv parallel, so dass die Reaktion durch diese Parallelkombination und Streukapazitäten bestimmt wird. Diese Parallelkombination wird durch den relativ niedrigen Widerstand von R2 dominiert, der die Zeitkonstante reduziert und daher die Reaktion schnell macht. Bei sehr niedrigen Strömen, wenn die Dioden D1, D2 und D3 nicht leiten, wird die Reaktion durch R1 und seine Streukapazitäten bestimmt. Die Ausführungsformen der Erfindung stellen also eine schnelle Reaktion über fast den ganzen Dynamikbereich sicher.
Das Bestimmen des Dynamikbereichs für die Elektrometer von 2A und 2B ist unkompliziert. Für die Elektrometer von 2A und 2B ist das Spannungsrauschen von Widerstand R1 gegeben durch $\sqrt{4 K T R 1 B w} Volt RMS .$
Nach Dividieren durch den Widerstandswert von Widerstand R1 ist das Nullsignal-Effektivstromrauschniveau gegeben durch $\frac{\sqrt{4 K T R 1 B w}}{R 1} A m p e r e R M S .$
und das minimale nachweisbare Signal ist das Doppelte davon, d.h. $2 [\frac{\sqrt{4 K T R_{1} B w}}{R_{1}}] A m p e r e .$
Das Full-Scale-Ausgangssignalniveau vom Elektrometer gemäß den Ausführungsformen der Erfindung wird fast vollständig durch den 10 Volt-Ausgangsbereich und den Wert von Widerstand R2 bestimmt.
Daher ist das maximale Ausgangssignal $\frac{10}{R_{2}}$
Ampere. Der Dynamikbereich kann entsprechend dem folgenden Ausdruck berechnet werden: $\frac{M a x i m u m O u t p u t S i g n a l}{M i n i m u m D e t e c t a b l e S i g n a l} : 1$
Daher ist der Dynamikbereich der Elektrometer von FIG. 2A und 2B bei einem 10 Volt-Endwertausgang durch die folgende Gleichung gegeben: $\frac{\frac{10}{R_{2}}}{2 [\frac{\sqrt{4 K T R_{1} B w}}{R_{1}}]} : 1 = \frac{5 R 1}{R 2 \sqrt{4 K T R 1 B w}} : 1$

Tabelle 2 unten vergleicht die Dynamikbereiche für ein Elektrometer, das einen einzigen Widerstand verwendet, und das Elektrometer von FIG. 2A und 2B für verschiedene Bandbreiten und äquivalente Integrationszeiten (in Klammern angegeben). Tabelle 2.

Widerstandswert(e) in Ohm	Dynamikbereich für verschiedene Bandbreiten (und äquivalente Integrationszeiten)
	1 Hz	10 Hz	100 Hz	1 kHz
	(318 ms)	(31,8 ms)	(3,18 ms)	(0.318 ms)
50 M	5,49 × 10⁶	1,74 × 10⁶	5,49 × 10⁵	1,74 × 10⁵
100 M	3,89 × 10⁶	1,25 × 10⁶	3,89 × 10⁵	1,23 × 10⁵
1 G	1,23 10⁶	3,89 × 10⁵	1,23 × 10⁵	3,89 × 10⁴
10 G	3,89 × 10⁵	1,23 × 10⁵	3,89 × 10⁴	1,23 × 10⁴
100 G	1,23 × 10⁵	3,89 × 10⁴	1,23 × 10⁴	3,89 × 10³
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung
50 M & 20 G	9,54 × 10⁷	3,02 × 10⁷	9,54 × 10⁶	3,02 × 10⁶
5 M & 20 G	9,54 × 10⁸	3,02 × 10⁸	9,54 × 10⁷	3,02 × 10⁷

Wie in Tabelle 2 gezeigt, erreichen beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung einen mindestens eine Größenordnung größeren Dynamikbereich als Elektrometer, die nur einen einzigen Widerstand verwenden.
In einigen Ausführungsformen kann der Widerstandswert von Widerstand R2 zwischen 10 Megaohm und 100 Megaohm liegen, und der Widerstandswert von Widerstand R1 kann zwischen 5 Gigaohm und 50 Gigaohm liegen. Zum Beispiel kann Widerstand R2 einen Standardwiderstandswert von 47 Megaohm haben. In einigen Ausführungsformen ist das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten von Widerstand R1 und R2 größer als 10. Dieses Verhältnis kann vom Dynamikbereich und der Reaktionszeit abhängen, die durch eine bestimmte Anwendung gefordert wird. Das Verhältnis kann auch vom Pegel des Eingangsstromsignals und dem gewünschten Ausgangssignalpegel abhängen. Wenn zum Beispiel das größte Stromsignal 2E-7 Ampere ist, dann ist ein 50 Megaohm-Widerstand erforderlich, um ein 10 Volt-Ausgangssignal zu erhalten.
Wenn sich das Eingangsstromsignal bis zu dem Punkt verringert, wo die Dioden D1, D2 und D3 aufhören zu leiten (d.h. der Umschaltpunkt), weist Diode D3 auf Grund seiner inneren Kapazität und der restlichen Durchlassspannung Vf immer noch eine kleine Ladungsmenge auf. Diese Ladung wird zur Erde über Widerstand Rg entladen.
Wenn Widerstand Rg nicht verwendet werden würde, dann, wenn der Betrieb bei niedrigen Strompegeln erfolgt (wenn keine der Dioden leitet), wären die in Reihe geschalteten Dioden D1, D2 und D3 und der Widerstand R2 parallel zum Widerstand R1. Im Ergebnis dessen würden die Kapazitäten der Dioden D1, D2 und D3 über Widerstand R1 die Reaktion von Widerstand R1 verderben. Durch Hinzufügen von Rg wird die Kapazität der Dioden D1, D2 und D3 von der Erde entkoppelt, wodurch die Reaktion von Widerstand R1 wiederhergestellt wird. Widerstand Rg stellt auch sicher, dass es einen eindeutigen Niedrigpegelsignalbereich gibt, über den Diode D3 keinen Strom weitergeben kann, weil Widerstand Rg das untere Ende der Vf-Ableitung von den Dioden D1 und D2 zur Erde verschiebt.
Die Ladung, die in Diode D3 enthalten ist, die durch Widerstand Rg zur Erde entladen wird, verursacht jedoch eine „Zacke“ in Strom I2, die ein Fehler ist. Dieser Fehler kann durch Einspeisen einer gleichen und entgegengesetzten Ladung auf die Kathode 209 von Diode D3 über einen Kondensator beseitigt werden, der in einigen Ausführungsformen ein sehr kleiner verlustarmer Kondensator ist. In einigen Ausführungsformen besteht der Kondensator aus dem Mittelstift eines PTFE-Abstandshalters und dem metallisierten Befestigungsloch für den Abstandshalter. In einigen Ausführungsformen kann solch ein Kondensator einen Wert von etwa 0,18 pF haben. Zum Einspeisen einer gleich großen und entgegengesetzten Ladung auf die Kathode 209 von Diode D3 tastet ein invertierender Verstärker die Änderung von Vf von Diode D3 während ihrer Umschaltung ab und legt die Änderung von Vf von Diode D3 über den Kondensator auf die Kathode 209 von Diode D3 an. Der invertierende Verstärker kann eine einstellbare Verstärkung haben, so dass die Ladung, die durch einen Kondensator entfernt werden kann, so eingestellt werden kann, dass sie der Ladung auf Diode D3 entspricht. Die Verstärkung des invertierenden Verstärkers kann unter Verwendung eines Potentiometers oder einer anderen geeigneten elektronischen Komponente eingestellt werden.
2B ist eine schematische Darstellung eines Elektrometers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform wird die Diode D2 des Elektrometers von 2 entfernt und Verstärker A2 wird durch einen Puffer 240 mit einem hochohmigen Eingang ersetzt. Im Ergebnis dessen ist der Pegel der Ausgangsspannung V1 reduziert, bei dem der Strom I2 durch R2 zu fließen anfängt. In anderen Ausführungsformen können die Dioden D1 und D2 durch eine Kette von drei oder mehr Dioden ersetzt werden, um die Ausgangsspannung V1 zu erhöhen, bei der der Strom I2 anfängt, durch R2 zu fließen.
2C ist eine schematische Darstellung eines Elektrometers entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Neben den Komponenten des Elektrometers von 2C umfasst diese Ausführungsform ferner den Widerstand R3 (233), die Dioden D4 (204) und D5 (205), die in Reihe geschaltet sind, einen Puffer 241 und den Widerstand Rg2 (216). Widerstand R3 ist elektrisch mit dem invertierenden Eingang von Verstärker A1 und dem Eingang von Puffer 241 verbunden. Die Dioden D4 und D5 sind elektrisch mit dem zweiten Ende 236 von Widerstand R3 und der Kathode 235 von Diode D3 verbunden. Ähnlich wie Widerstand Rg verbindet Widerstand Rg2 elektrisch die Verbindungsstelle der Kathode von Diode D5 und der Anode von Diode D4 mit Erde. In dieser Ausführungsform fließt, wenn die Ausgangsspannung V1 groß genug ist und die Dioden D4 und D5 leiten, der Strom I3 durch Widerstand R3 und eine entsprechende Ausgangsspannung V3 tritt am Ausgang von Puffer 241 auf. Wenn alle Dioden leiten, kann eine Recheneinheit einen Strom basierend auf den Ausgangsspannungen V1, V2 und V3 und den Widerstandswerten der Widerstände R1, R2 und R3 berechnen (d.h. Berechnen der Ströme, die durch die Widerstände R1, R2, R3 fließen und Summieren der Ströme). Diese Ausführungsform stellt einen größeren Dynamikbereich als die Ausführungsformen von 2A und 2B bereit. Andere Ausführungsformen können zusätzliche Widerstände, Dioden und Puffer zum weiteren Erhöhen des Dynamikbereichs umfassen.
3 ist ein Blockdiagramm eines Elektrometersystems 300 zum Messen von Strom entsprechend einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung. Das System 300 umfasst einen Temperaturregler 320, Strommessschaltungen 310, ein Paar von Anti-Aliasing-Filtern 301a-b, ein Paar von A/D-Wandlern 302a-b und eine digitale Recheneinheit 330. Die Strommessschaltungen 310 können die analogen Schaltungen zum Messen von Strom umfassen. Diese Schaltungen können die Schaltungen umfassen, die in 2A-2C gezeigt werden.
Der Temperaturregler 320 ist elektrisch mit Heizelementen verbunden, die sich in der Nähe der kritischen Komponenten der Strommessschaltungen 310 befinden. In einigen Ausführungsformen steuert der Temperaturregler 320 die Temperatur der Heizelemente, um die Temperatur der kritischen Komponenten auf etwa 50 Grad Celsius zu stabilisieren, um die Drift zu verringern. Ohne darauf beschränkt zu sein, können die kritischen Komponenten die Verstärker A1 und A2 und die Dioden D1, D2 und D3 der Elektrometerschaltung umfassen, die in 2A gezeigt werden. Die Heizelemente können Widerstände umfassen, die auf der Oberfläche der Leiterplatte (PCB) des Elektrometers in der Nähe der kritischen Komponenten und ihrer Abschirmgehäuse befestigt sind.
Durch Erwärmung des Elektrometers erhöhen sich jedoch die Biasströme zu den Verstärkern A1 und A2, was wiederum ihren Rauschbeitrag erhöht. Dieses Rauschen kann, verglichen mit dem Rauschen der Widerstände R1 und R2, beträchtlich werden. Das Widerstandsrauschen kann sich ebenfalls leicht erhöhen, da es aber proportional zur Quadratwurzel der absoluten Temperatur ist, erhöht sich das Widerstandsrauschen von 25 Grad Celsius zu 50 Grad Celsius nur um einen kleinen Faktor, z.B. ca. 4 %.
Das Elektrometersystem 300 umfasst auch Anti-Aliasing-Filter 301a-b, die Spannungen, welche aus der Strommessschaltung ausgegeben werden, filtern. Das Elektrometersystem 300 umfasst auch A/D-Wandler 302a-b, die elektrisch mit den entsprechenden Anti-Aliasing-Filtern 301a-b verbunden sind. In einigen Ausführungsformen können die A/D-Wandler gleichzeitig mit einer Rate von 3750 Abtastungen pro Sekunde (sps) abgetastet werden. Dies kann durch Betreiben beider A/D-Wandler 302a-b mit demselben Taktgeber und durch Verwendung eines geeigneten Befehls (z.B. des „Synchronisationsbefehles“ für den ADS 1256 A/D-Wandler) erreicht werden, so dass die Umwandlungen, die von den A/D-Wandlern 302a-b ausgeführt werden, zur selben Zeit getriggert werden.
In einigen Ausführungsformen können die Anti-Aliasing-Filter 301a-b die analoge Bandbreite auf ca. 1,4 kHz begrenzen, was bequem unter der Hälfte der 3750 SPS-Abtastrate der A/D-Wandler 302a-b ist. Die Anti-Aliasing-Filter 301a-b können auch die Spannungsausgangssignale V1 und V2 dämpfen (z.B. durch einen Dämpfungsfaktor von 0,25), um sie kompatibel mit den A/D-Wandlern 302a-b zu machen (z.B. einen A/D-Wandler ADS1256). Wegen des breiten Dynamikbereichs, der von den analogen Spannungsausgangssignalen V1 und V2 benötigt wird, können die Anti-Aliasing-Filter 301a-b differentiell an die A/D-Wandler 302a-b angeschlossen werden, um Gleichtaktrauschen zu minimieren.
In einigen Ausführungsformen sind die A/D-Wandler 302a-b auf einer Leiterplattenbaugruppe angeordnet, die von der Leiterplattenbaugruppe der Strommessschaltung 310 getrennt ist. In einigen Ausführungsformen ist das Layout der Schaltung, die die A/D-Wandler 302a-b umgibt, zum Reduzieren des Rauschens in den A/D-Wandlern 302a-b ausgelegt. Eine rauscharme Referenzspannung kann zum Reduzieren des Rauschens ebenfalls für die A/D-Wandler 302a-b bereitgestellt werden.
Das Elektrometersystem 300 umfasst auch eine digitale Recheneinheit 330, die Berechnungen zur digitalen Spannungsdatenausgabe aus den A/D-Wandlern 302a-b ausführt, um Strommessdaten zu erhalten. Da die Elektrometer-Stromsignale inhärent einen Nulloffset haben können, der damit verbunden ist, kann die digitale Recheneinheit 330 eine Nullkorrektur auf der Grundlage von Lesewerten aus den A/D-Wandlern anwenden, die bei fehlendem Eingangssignal erfasst werden.
Bei der Entscheidung, ob Rauschen von Widerstand R2 bei kleinen Signalen unterdrückt werden soll (wenn kein Strom durch Widerstand R2 fließt), liest die digitale Recheneinheit 330 die unverarbeiteten digitalen Spannungsdaten aus dem A/D-Wandler 302b, der mit Widerstand R1 verbunden ist (d.h. die digitalen Spannungsdaten, die der Ausgangsspannung V1 entsprechen). Wenn der Absolutwert der Spannungsdaten kleiner als 10000H (hexadezimal) ist (oder 156 mV am Eingang zum Anti-Aliasing-Filter 301b oder 39 mV am Eingang zum A/D-Wandler 302b (wegen des Dämpfungsfaktors von 0,25 des Anti-Aliasing-Filters)), dann wird die Ausgangsspannung V2 (die mit dem kleineren Widerstand R2 verbunden ist) ignoriert. In einigen Ausführungsformen multipliziert die digitale Recheneinheit 330 alle Daten mit einem Faktor, um einen Dämpfungsfaktor in den Anti-Aliasing-Filtern 301a, 301b zu kompensieren (z.B. Multiplikation mit einem Faktor von vier, um einen Dämpfungsfaktor von 0,25 zu kompensieren), was erforderlich sein kann, um sich an den Full-Scale-Bereich der A/D-Wandler 302a-b anzupassen.
Die digitale Recheneinheit 330 kann einen Prozessor umfassen, der die folgenden Softwareanweisungen zum Berechnen des Stroms basierend auf den digitalen Spannungsdatenausgaben aus den A/D-Wandlern ausführt: $\begin{array}{l} IF ABS (V20G) > 10000 H, \\ THEN I = [{(V20G - V20GZ) / 20 E + 9} + {(V50M - V50MZ) / 47 E + 6}] \\ ELSE I = [(V20G - V20GZ) / 20 E + 9] * 4, \end{array} * 4,$
wobei V20G die Spannung ist, die aus dem Analogspannungskonverter 302b ausgelesen wird, der mit dem größeren Widerstand R1 verbunden ist; V20GZ ist die Spannung, die aus dem Analogspannungskonverter 302b, der mit dem größeren Widerstand R1 verbunden ist, bei Nullsignaleingabe ausgelesen wird; V50G ist die Spannung, die aus dem Analogspannungskonverter 302a ausgelesen wird, der mit dem kleineren Widerstand R2 verbunden ist; V50GZ ist die Spannung, aus dem Analogspannungskonverter 302a, welcher mit dem kleineren Widerstand R2 verbunden ist, bei einem Nulleingangssignal ausgelesen wird; und „ABS()“ ist eine Funktion, die die Größe einer gegebenen Eingabe in die Funktion bestimmt.
In anderen Ausführungsformen kann die digitale Recheneinheit 330 die unverarbeiteten digitalen Spannungsdaten in eine Dezimalzahl umwandeln und diese Zahl zur Feststellung verwenden, ob die Spannung V1 größer als 156 mV oder ein anderer vorgegebener Spannungswert ist. 4 ist zum Beispiel ein Flussdiagramm eines Prozesses 410, der als digitale Schaltung in der digitalen Recheneinheit 330 zum Berechnen eines Stromwertes auf der Grundlage der Spannungsdatenausgabe aus den A/D-Wandlern des Systems von 3 implementiert sein kann. Nach dem Start 401 werden digitale Daten mit und ohne Nulleingabe aus den A/D-Wandlern 301a-b (412) gelesen. Als Nächstes werden digitale Daten in Dezimalwerte 413 umgewandelt. Als Nächstes wird festgestellt, ob die Ausgangsspannung V1 größer als 156 mV (oder ein anderes Spannungsniveau, das mit dem Umschaltpunkt der Dioden assoziiert ist, die in Reihe geschaltet sind (z.B. D1, D2 und D3 von 2a)) (414) ist. Wenn die Ausgangsspannung V1 größer als 156 mV ist, dann wird der Strom entsprechend der folgenden Formel berechnet: I = {(V1 - V1(Nulleingabe))/R1} + {(V2-V2(Nulleingabe))/R2} (418). Anderenfalls wird der Strom nach der folgenden Formel berechnet: I = (V1- V1(Nulleingabe))/R1 (416). Dann endet der Prozess 410 bei 419.
5 ist eine schematische Darstellung eines Elektrometers entsprechend einer weiteren illustrativen Ausführungsform der Erfindung. Das Elektrometer gemäß dieser Ausführungsform ist zum Arbeiten bei jeder Polarität eines Signals ausgelegt, wobei zwei Paare von Dioden, die fortlaufend verdrahtet sind, in einer antiparallelen Konfiguration verwendet werden. Speziell ist das Paar von Dioden 501a-b parallel geschaltet und mit umgekehrter Polarität angeordnet. Analog ist das Paar von Dioden 502a-b parallel geschaltet und mit umgekehrter Polarität angeordnet. Und schließlich ist das Paar von Dioden 503a-b parallel geschaltet und mit umgekehrter Polarität angeordnet. Die Diodenpaare 501a-b, 502a-b und 503a-b werden dann in Reihe zwischen Verstärker 210 und dem zweiten Ende 221 des zweiten Widerstandselementes 232 angeschlossen.
Die Ausführungsform des Elektrometers, die in 5 gezeigt wird, umfasst einen invertierenden Verstärker 510 mit variabler Verstärkung. Der Ausgang 511 des invertierenden Verstärkers 510 mit variabler Verstärkung ist mit dem Befestigungsloch 512 des PTFE-Abstandshalters verbunden. Das Befestigungsloch 512 wird zum Abstützen der Verdrahtung 212 verwendet, die mit der Kathode 504 von Diode 503b verbunden ist, so dass eine Kapazität von ca. 0,18 pF zwischen dem Ausgang 511 des Verstärkers 510 mit variabler Verstärkung und der Kathode 504 von Diode 503b auftritt. In anderen Ausführungsformen werden andere Arten von kapazitiven Komponenten zwischen dem Ausgang 511 des Verstärkers 510 mit variabler Verstärkung und der Kathode 504 von Diode 503b angeschlossen, um eine Ladung bereitzustellen, die gleich und entgegengesetzt der Ladung in den Dioden 503a-b ist. Das Elektrometer von 5 umfasst auch ein Potentiometer 515, das an den Ausgang 511 des Verstärkers 510 mit variabler Verstärkung angeschlossen ist. Potentiometer 515 ermöglicht eine kleine Einstellung der Verstärkung des Verstärkers 510 zum Ausgleich unterschiedlicher Kapazitäten zwischen individuellen Dioden 503a-b durch Herstellungsabweichungen.
Das Leistungsverhalten der Ausführungsform der Erfindung kann in Bezug auf Rauschen und Reaktion beschrieben werden. 6 ist eine grafische Darstellung, die das Rauschverhalten des Elektrometers von 5 illustriert. Das Rauschen wurde gemessen, indem die Standardabweichung (die dem Effektivwert äquivalent ist) von einer Reihe von Ablesungen bei verschiedenen Integrationszeiten bei angelegtem Nullsignal genommen wurde. Die linke vertikale Achse 601 in der grafischen Darstellung von 6 zeigt das Rauschen in Ampere an, die horizontale Achse 603 zeigt die Bandbreite in Hertz an, und die rechte vertikale Achse 602 zeigt die Integrationszeit in Millisekunden an. Die Gerade 614 stellt das theoretische Rauschen dar, das dem Widerstand R1 mit einem Widerstandswert von 20 Gigaohm zugeordnet werden kann, und die Gerade 613 stellt das tatsächliche Rauschen dar, das demselben Widerstand bei 55 Grad Celsius zugeordnet werden kann. Das Verhalten des tatsächlichen Rauschens ist schlechter als das theoretische Verhalten, teilweise wegen der Aufnahme von externem Rauschen, hauptsächlich aber wegen der größer als normalen Verstärkereingangs-Biasströme, die auf den Betrieb bei der erhöhten Temperatur von 50 Grad Celsius zurückzuführen ist. Wenn das Elektrometer bei einer normaleren Temperatur von 25 Grad Celsius betrieben werden würde, käme das Rauschverhalten dem theoretischen Wert sehr nahe.
Analog stellt die Gerade 612 das theoretische Rauschen dar, das dem Widerstand R2 mit einem Widerstandswert von 47 Megaohm zugeordnet werden kann, und die Gerade 611 stellt den tatsächlichen Rauschbeitrag desselben Widerstandes bei Elektrometerverstärkern dar, wenn diese Komponenten bei 55 Grad Celsius arbeiten. Die grafische Darstellung von 6 zeigt also, dass das Rauschen, das den Widerständen R1 und R2 zugeordnet werden kann, sich erhöht, wenn sich die Bandbreite erhöht (oder die Integrationszeit verringert).
Die 7A-7C illustrieren die Reaktion des Elektrometers von 5. Ein Reaktionsleistungsparameter ist die Zeit, die zum Abklingen auf null oder so nahe wie möglich zu null benötigt wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, bei dem der Signalstrom so groß gewesen ist, dass die verlustarmen Diode(n) leitend waren und ihre Ladung entfernt werden muss, so dass die Ausgabe schnell auf null abklingen kann.
Die grafischen Darstellungen von 7A-7C umfassen eine vertikale Achse 701, die den gemessenen Strompegel in Ampere angibt, und eine horizontale Achse 702, die die Abklingzeit in Millisekunden angibt. Die Darstellungen von 7A-7C zeigen die Abklingzeit mit wachsender Vergrößerung. Die sieben Datengeraden stellen Eingangsstromsignale im Bereich von 6,10 E-13 Ampere bis 6,91 E-10 Ampere dar. Insbesondere zeigen die Darstellungen, dass ein Stromsignal von 6,91 E-10 Ampere (705 in 7C) in weniger als 20 ms auf weniger als 2 E-14 Ampere abgeklungen ist. Mit anderen Worten, es ist in weniger als 20 ms auf weniger als 29 ppm abgeklungen.
Die oben beschriebenen Verfahren können in digitalen elektronischen Schaltungen oder in Computer-Hardware, Firmware, Software oder in Kombinationen derselben implementiert werden. Die Implementierung kann als Computerprogrammprodukt erfolgen, d.h. als Computerprogramm, das greifbar in einem Informationsträger verkörpert ist, z.B. in einer maschinenlesbaren Speichervorrichtung, zur Ausführung oder zur Steuerung des Betriebs einer Datenverarbeitungsvorrichtung, z.B. eines programmierbaren Prozessors, eines Computers und/oder mehrerer Computer.
Ein Computerprogramm kann in einer Form von Programmiersprache geschrieben sein, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, und es kann in einer beliebigen Form eingesetzt werden, einschließlich als selbständiges Programm oder als Modul, Komponente, Unterprogramm oder andere Einheit, die sich zur Verwendung in einer Rechenumgebung eignet. Ein Computerprogramm kann eingesetzt werden, um auf einem Computer oder auf mehreren Computern an einem Ort oder verteilt auf mehrere Orte und verbunden durch ein Kommunikationsnetz ausgeführt zu werden.
Verfahrensschritte können von einem oder mehreren programmierbaren Prozessoren ausgeführt werden, die ein Computerprogramm ausführen, um Funktionen der Erfindung durch Bearbeiten von Eingangsdaten und/oder Erzeugen einer Ausgabe durchzuführen. Verfahrensschritte können auch von Speziallogikschaltungen ausgeführt werden und Vorrichtungen können als Speziallogikschaltungen implementiert, z.B. ein FPGA (feldprogrammierbares Gatterfeld) oder als ein ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung). Einheiten können sich auf Teile des Computerprogramms und/oder den Prozessor/die Spezialschaltung beziehen, die diese Funktionalität implementiert.
Prozessoren, die sich für die Ausführung eines Computerprogramms eignen, umfassen Computer-Mehrzweck- wie auch Spezialmikroprozessoren und eine oder mehrere Prozessoren beliebiger Art von digitalen Computern. Allgemein empfängt ein Prozessor Instruktionen und Daten von einem Nur-Lese-Speicher oder einem Direktzugriffsspeicher oder beiden. Die wesentlichen Elemente eines Computers sind ein Prozessor zum Ausführen von Instruktionen und ein oder mehrere Speichervorrichtungen zum Speichern von Instruktionen und Daten. Allgemein umfasst ein Computer auch einen oder mehrere Speichervorrichtungen zum Speichern von Daten oder ist betriebsmäßig mit diesen verbunden, um Daten von denselben zu empfangen oder Daten an dieselben zu übertragen, z.B. magnetische, magnetooptische Platten oder optische Platten. Datenübertragung und Instruktionen können auch über ein Kommunikationsnetz erfolgen.
Informationsträger, die sich dazu eignen, Computerprogramminstruktionen und Daten zu verkörpern, umfassen alle Formen von nichtflüchtigem Speicher, einschließlich zum Beispiel Halbleiterspeichervorrichtungen, z.B. EPROM, EEPROM, und Flashspeichervorrichtungen; Magnetplatten, z.B. interne Festplatten oder Wechselplatten; magneto-optische Platten und CD-ROM und DVD-Rom-Disks. Der Prozessor und der Speicher können durch Speziallogikschaltungen ergänzt oder in dieselben integriert werden.
Der Begriff „Einheit“, wie hierin verwendet, bedeutet, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Software- oder Hardwarekomponente, die bestimmte Aufgaben ausführt. Eine Einheit kann vorteilhaft dazu ausgelegt sein, sich auf einem adressierbaren Speichermedium zu befinden, und dazu ausgelegt sein, in einem oder mehreren Prozessoren ausgeführt zu werden. Eine Einheit kann vollständig oder teilweise mit einer integrierten Mehrzweckschaltung (IC), FPGA oder ASIC ausgeführt werden. So kann eine Einheit beispielsweise Komponenten umfassen, wie zum Beispiel Softwarekomponenten, objektorientierte Softwarekomponenten, Klassenkomponenten und Aufgabenkomponenten, Prozesse, Funktionen, Attribute, Prozeduren, Unterprogramme, Segmente von Programmcode, Treiber, Firmware, Microcode, Schaltungen, Daten, Datenbanken, Datenstrukturen, Tabellen, Felder und Variable. Die Funktionalität, die in den Komponenten und Einheiten bereitgestellt wird, kann in weniger Komponenten und Einheiten kombiniert werden oder weiter in zusätzliche Komponenten und Einheiten aufgeteilt werden.
Abwandlungen, Modifizierungen und andere Implementierungen des hierin Beschriebenen sind für die Fachleuten auf diesem Gebiet ersichtlich, ohne vom Geist und dem Anwendungsbereich der Erfindung, wie beansprucht, abzuweichen. Dementsprechend soll die Erfindung nicht durch die vorhergehende erläuternde Beschreibung, sondern stattdessen durch den Geist und Anwendungsbereich der folgenden Ansprüche definiert werden.

Claims

Elektrometer (200), umfassend: einen Verstärker (210), der einen invertierenden Eingang (211), einen nicht-invertierenden Eingang und einen Ausgang hat; erste und zweite Widerstandselemente (231, 232), die jeweils ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, wobei die ersten Enden der ersten und zweiten Widerstandselemente (231, 232) elektrisch mit dem invertierenden Eingang (211) des Verstärkers (210) verbunden sind und das zweite Ende des ersten Widerstandselementes (231) elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkers (210) verbunden ist; einen Puffer (220, 240), der einen hochohmigen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei das zweite Ende des zweiten Widerstandselementes (232) mit dem Eingang (221) des Puffers (220, 240) verbunden ist; und eine oder mehrere Diode/n (201, 202, 203, 204, 205), die elektrisch den Ausgang des Verstärkers (210) und das zweite Ende des zweiten Widerstandselementes (232) verbindet/n, wobei das zweite Widerstandselement (232) parallel zum ersten Widerstandselement (231) ist, wenn sämtliche der einen oder mehreren Diode/n (201, 202, 203) leitend ist/sind.
Elektrometer (200) nach Anspruch 1, wobei der Puffer (220, 240) ein zweiter Verstärker (220) ist, der einen invertierenden Eingang (223), einen nicht-invertierenden Eingang (221) und einen Ausgang (222) aufweist, wobei der Ausgang (222) des zweiten Verstärkers (220) elektrisch mit dem invertierenden Eingang (223) des zweiten Verstärkers (220) verbunden ist, der nichtinvertierende Eingang (221) des zweiten Verstärkers (220) der Eingang des Puffers (220) ist und der Ausgang (222) des zweiten Verstärkers (220) der Ausgang des Puffers (220) ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 1, das ferner eine Recheneinheit (330) umfasst, welche elektrisch mit den Ausgängen des Verstärkers (210) und des Puffers (220, 240) verbunden ist, wobei die Recheneinheit (330) zum Berechnen eines Strompegels auf der Grundlage der Widerstandswerte der ersten und zweiten Widerstandselemente (231, 232) und der Spannungspegel an den Ausgängen des Verstärkers (210) und des Puffers (220, 240) eingerichtet ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 1, wobei der Widerstandswert des zweiten Widerstandselementes (232) geringer als der Widerstandswert des ersten Widerstandselementes (231) ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 4, wobei das zweite Widerstandselement (232) zwischen 10 Megaohm und 100 Megaohm liegt und das erste Widerstandselement (231) zwischen 5 Gigaohm und 50 Gigaohm liegt.
Elektrometer (200) nach Anspruch 4, wobei das Verhältnis zwischen den Widerstandswerten der Widerstandselemente (231, 232) größer als 10 ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 1, wobei die eine oder meheren Diode/n (201, 202, 203, 204, 205) eine erste Diode (201, 202, 203, 204, 205) und eine verlustarme und nieder kapazitive zweite Diode (201, 202, 203, 204, 205) umfasst, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende der zweiten Diode elektrisch mit dem Eingang des Puffers (220, 240) verbunden ist, das zweite Ende der zweiten Diode (203) elektrisch mit der ersten Diode (201, 202, 203, 204, 205) verbunden ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 7, das ferner ein drittes Widerstandselement (233) umfasst, welches das zweite Ende der zweiten Diode (201, 202, 203, 204, 205) mit Erde elektrisch verbindet.
Elektrometer (200) nach Anspruch 7, wobei die erste Diode (201, 202, 203, 204, 205) eine Kleinsignalsiliziumdiode ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 7, das ferner umfasst: einen Kondensator; und einen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung, der einen Eingang und einen Ausgang aufweist, wobei der Eingang des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung elektrisch mit dem zweiten Ende der zweiten Diode verbunden ist, der Ausgang des Verstärkers mit einstellbarer Verstärkung elektrisch mit dem ersten Ende der zweiten Diode über den Kondensator verbunden ist, wobei der Verstärker mit einstellbarer Verstärkung zum Entladen des Kondensators mit einer Ladung eingerichtet ist, die zu der Ladung in der zweiten Diode entgegengesetzt ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 7, das ferner einen Temperaturregler (320) umfasst, der zumindest mit der zweiten Diode (201, 202, 203, 204, 205), dem Verstärker (210) und dem Puffer (220, 240) verbunden ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Diode/n (201, 202, 203, 204, 205) Paare von Dioden (201, 202, 203, 204, 205) umfasst, wobei jedes Paar elektrisch parallel geschaltet und mit umgekehrter Polarität angeordnet ist.
Elektrometer (200) nach Anspruch 1, das ferner umfasst: ein erstes Anti-Aliasing-Filter (301b) und ein zweites Anti-Aliasing-Filter (301a), wobei das erste Anti-Aliasing-Filter (301b) elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkers (210)verbunden ist, das zweite Anti-Aliasing-Filter (301a) elektrisch mit dem Ausgang des Puffers (220, 240) verbunden ist; und einen ersten Analog-Digital- (A/D)-Wandler (302b) und einen zweiten A/D-Wandler (302a), wobei der erste A/D-Wandler (302b) elektrisch mit dem Ausgang des ersten Anti-Aliasing-Filters (301b) verbunden ist, der zweite A/D-Wandler (302a) elektrisch mit dem Ausgang des zweiten Anti-Aliasing-Filters (302a) verbunden ist.
Verfahren zum Messen von Strom, umfassend: Erfassen einer ersten Spannung am Ausgang eines Verstärkers (210); Berechnen eines Stroms basierend auf der ersten Spannung und dem Widerstandswert eines ersten Widerstandselementes (231), das elektrisch mit einem invertierenden Eingang (211) des Verstärkers (210) und dem Ausgang des Verstärkers (210) verbunden ist, wenn die erste Spannung unter einem vorgegebenen Pegel liegt; und Erfassen einer zweiten Spannung am Ausgang eines Puffers (220, 240); Berechnen eines Stroms basierend auf der ersten und zweiten Spannung und der Widerstandswerte des ersten Widerstandselementes (231) und eines zweiten Widerstandselementes (232), wobei das zweite Widerstandselement (232) elektrisch zwischen dem invertierenden Eingang (211) des Verstärkers (210) und einem Eingang (221) des Puffers (220, 240) angeordnet ist, wenn die Spannung, die vom Verstärker (210) ausgegeben wird, oberhalb des vorgegebenen Pegels liegt, wobei das zweite Widerstandselement (232) parallel zum ersten Widerstandselement (231) ist, wenn sämtlich der einen oder mehreren Dioden (201, 202, 203, 204, 205), die zum elektrischen Koppeln des Eingangs (221) des Puffers (220, 240) und des Ausgang des Verstärkers (210) eingerichtet ist/sind, leitet.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner umfasst: Abtasten der Änderung in der Durchlassspannung der einen oder mehreren Diode/n, die elektrisch zwischen dem Eingang (221) des Puffers (220, 240) und dem Ausgang des Verstärkers (210) angeordnet sind; und Einspeisen einer ersten Ladung in die eine oder mehreren Diode/n (201, 202, 203, 204, 205), wobei die erste Ladung einer zweiten Ladung entgegengesetzt ist, welche mit mindestens einer der mehreren Dioden (201, 202, 203, 204, 205) assoziiert ist.
Verfahren nach Anspruch 15, das ferner das Einstellen der Höhe der ersten Ladung zur Anpassung an die zweite Ladung umfasst, welche mit der einen oder den mehreren Diode/n (201, 202, 203, 204, 205) assoziiert ist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Sensieren der Spannungen das Lesen der ersten Spannungsdatenausgabe aus einem ersten A/D-Wandler (302b), der elektrisch mit dem Ausgang des Verstärkers (210) verbunden ist, und das Lesen der zweiten Spannungsdatenausgabe aus einem zweiten A/D-Wandler (302a) umfasst, der elektrisch mit dem Ausgang (222) des Puffers (220, 240) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner umfasst: Anlegen eines Nulleingangssignals an den invertierenden Eingang (211) des Verstärkers (210); und Lesen der ersten Spannungsdaten aus dem ersten A/D-Wandler (302b) um Nulleingabespannungsdaten zu erhalten, wobei das Berechnen eines Stroms basierend auf dem Widerstandswert des ersten Widerstandselementes (231) das Berechnen der Differenz zwischen den ersten Spannungsdaten und den Nulleingabespannungsdaten und das Dividieren des Ergebnisses durch den Widerstandswert des ersten Widerstandselementes (231) umfasst, um erste Stromdaten zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner umfasst: Lesen von zweiten Spannungsdaten aus dem zweiten A/D-Wandler (302a) um zweite Nulleingabespannungsdaten zu erhalten, wobei das Berechnen eines Stroms basierend auf den Widerstandswerten des ersten Widerstandselementes (231) und des zweiten Widerstandselementes (232) das Berechnen der Differenz zwischen den zweiten Spannungsdaten und den zweiten Nulleingangsspannungsdaten und das Dividieren des Ergebnisses durch den Widerstandswert des zweiten Widerstandselementes (232) umfasst, um zweite Stromdaten zu erhalten, und Summieren der ersten Stromdaten und der zweiten Stromdaten.