DE2944364A1

DE2944364A1 - Anordnung zur messung einer groesse, die einen feldeffekttransistor beeinflusst

Info

Publication number: DE2944364A1
Application number: DE19792944364
Authority: DE
Inventors: Piet Bergveld
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-11-06
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1980-06-12
Also published as: FR2440599B1; DE2944364C2; SE7909093L; NL187546C; AU5243879A; SE435553B; US4267504A; CA1123968A; FR2440599A1; GB2035577B; CH644448A5; JPS59780B2; GB2035577A; JPS5566750A; AU531917B2; NL7811001A

Description

3-9-1979 "*7 ^ΡΗΝ

Anordnung zur Messung einer Grosse, die einen Feldeffekttransistor beeinflusst

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung einer Grosse, die einen Feldeffekttransistor beeinflusst, der· eine Source- und eine Drainelektrode enthält, die mit Anschlusspunkten einer Messchaltung derart verbunden sind, dass Änderungen im Widerstand zwischen diesen Elektroden die Ausgangsspannung der Messchaltung beeinflussen.

Ein Beispiel einer derartigen Anordnung ist in der Zeitschrift "IEEE Transactions on Biomedical Engineering", Vol. BME-19, Nr. 5, September 1972, S. Jk2 ... 351 besoll r.i ebon. In diesem Beispiel ist der Feldeffekttransistor ein iononeinpfiiidlicher Feldeffekttransistor und die zu messende Grosse ist die Konzentration bestimmter Ionen in einer Flüssigkeit.

Ein Nachteil von Feldeffekttransistoren ist, dass sie aiisser für die zu messende Grosse auch für die Um-(i'ul)iing.s l.cmpcratur empfindlich sind. Zwax' ist es grundsätzlich möglich, ein zweites temperaturempfindliches EJ omen L in der Nähe des Feldeffekttransistors anzuordnen, um eine getrennte Anzeige der Temperatur zu erhalten, aber dabei besteht immer Ungewissheit über die Frage, ob die beiden Elemente stets genau die gleiche Temperatur Iwiboji und ob sie auf genau dieselbe Weise auf Temperaturäii(]ei'tijj;;on aiispreclien. Ein sehr genauer und zuverlässiger Temperaturausgleich ist daher nicht gut möglich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art z\i schaffen, bei der c:i η Temperaturatisgle.Lch mit wesentlich grösserer Zuverlässigkeit und Genauigkeit als bei der bekannten Anordnung möglich ist.

Die Aufgabe wird bod. der erfindungsgemäs.sen Anordnung dadurch gelöst, dass dem Feldeffekttransistor ein Hilfss.igiio.l zugeführt wird, dossen Frequenz nussorhalb des FriMlueii/berri clis liegt, in dem Änderungen i.n dor zu

030024/0628

29A4364

3 3.9.1979 . «- PHN 9282

1 messenden Grosse auftreten, und dass die Messchaltung mit

j Mitteln zum Trennen von Signalen mit der Frequenz des

.< Hilfssignals und Signalen im erwähnten Frequenzbereich

I versehen ist.

' ⁵ Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsge-

: massen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die

j zu messende Grosse über einen ersten Eingang und das Hilfs-

i signal über einen zweiten Eingang dem Feldeffekttransistor

\ zugeführt werden.

\ 10 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend

: an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

; Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels

■ einer erfindungsgemässen Anordnung, und

j Fig. 2 eine Darstellung von Messkurven, die mit einer

' 15 derartigen Anordnung erhalten wurden.

I Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält eJncji

, Feldeffekttransistor 1 zur Messung von lonenaktivitat in

I einer Flüssigkeit, wie sie beispielsweise in der hcrancc-

! zogenen Veröffentlichung in "IEEE transactions on Bio-

• 20 medical Engineering" oder in der niederländischen Offen-

j legungsschrift 7602619 beschrieben ist. In der Flüssig-

! keit befindet sich weiter eine geerdete Ref erenzelck trade ').

; Die Anordnung enthält weiter einen Instrumentierungs-

verstärker 5» der an sich bekannt ist (siehe "Archiv i'ür· '■ 25 technisches Messen, Blatt Z 6343-6 vom April 1973) ui«'

^; daher nicht näher erläutert zu werden braucht. Der FeId-

i efi'ekttransistor 1 1st über mit seiner Source-, bzw. Dr;i.in-

I elektrode verbundene Leiter 7 und 9 als variabler Widerstand in die Schaltung des Instrumentierungsverstärkerw 30 zwischen den Anschlusspunkten 8 bzw. 10 aufgenommen, so dass der Widerstand zwischen den Source- und Draine.1 ek (,roden die Verstärkung des Instrumentierungsverstärkers beeinflusst. Die über die Leiter 11 und 13 zugeführte EingangH-spannung des Instruinentierungsverstärkers wird durch elJ c> ³⁵ Spannung an einem Widerstand 15 gebildet, der aus einer Stromquelle I7 mit einem konstanten Strom I gespeist wird.

Dj.(--so S])LiIiIiUJIi'; ist daher ltojis lau L, so dsias ti Le Spannung, am Ausgang 19 ausschlicaslich vom Widorstaiid des Fe .1 ilo Γ i'rk I-

030024/0628

ORIGINAL INSFEC rS

29U364

3.9.1979 -2"J, PHN 9282

transistors 1 abhängig ist. Diese Ausgangsspannung wird einem Differenzverstärker 21 zugeführt und mit einer über einen Leiter 23 ebenfalls diesem Differenzverstärker züge« führten einstellbaren Referenzspannung V „verglichen. Ein Rückkopplungskondensator 25 bestimmt die Abschneidfrequenz des Differenzverstärkers 21.

Der Ausgangsstrom I„ des Differenzverstärkers 21 durchfliesst einen Spannungsteiler, der von einem festen Widerstand 27 und von einem variablen Widerstand 29 gebildet wird, was auf bekannte Weise eine Gegenkopplung der vom Feldeffekttransistor 1 und von den Verstärkern 5 und 21 gebildeten Schaltung bewirkt. Am Widerstand 29 wird dabei eine Ausgangsspannung V gemessen, die von der zu messenden Grosse X, d.h. der Ionenaktivität, von der Temperatur T des Feldeffekttransistors 1, von der Referenzspannung V _ und vorn Verhältnis zwischen den Widerständen 27 und 29 abhängig ist. Durch die Wahl der Referenzspannung V kann ein Nullpunkt für die Messung eingestellt werden, während mit dem Widerstand 29 die Empfindlichkeit bestimmt " worden kann.

Für die Bestimmung des Einflusses der Temperatur T ist das Substrat des Feldeffekttransistors 1 mit Hilfe eines Elckt.rodenanschlusses 31 über einen Transformator 33 mit einer Spannungsquelle 35 verbunden, die dem Feldcffckt- *-^J t. raus i s tor ο in ll.i.J l's.signa]. zuführt, dessen Frequenz ausser-Jiulb des Frequenzbereichs liegt, in dem Änderungen in der zu messenden Grosse X auftreten. Der Kondensator 25 ist beispielsweise so gewählt, dass dor Di ff cren/vers l.ärker .? 1 Si(;nalc bis v.w ') kHz verarbeitet, während die Frequenz des Hi I Γssi₍·ηaJ s 30 kHz be trägt .

Wie die zu messende Grosse beeinflusst auch das Hilf ss.i gnal den Widerstand des Feldeffekttransistors 1. Das Signal am Ausgang 19 des Instrumentierungsverstärkers 5 ist also aus einer niederfrequenten Komponente, die von

der zu messenden Grosse X abhängig ist, und aus einer hochfrequenten Komponente, zusammengesetzt, die vom H i. If ssignal abhängig ist. Beide Komponenten sind ausserdem auf gleiche Weise von der Temperatur T des Feldeffekt—

030024/0628

3.9.1979 -* PHN 9282

] ^s

j · transistors abhängig. Der Ausgang 19 ist ausser mit dem

" Differenzverstärker 21 mit dem Eingang eines an sich

I . bekannten Detektors 37 verbunden, der zur Messung der Amplitude von Signalen mit der Frequenz des Hilfssignals

Ί, 5 eingerichtet ist. Am Ausgang dieses Detektors erscheint

Ü daher eine Spannung V , die ausser vom konstanten Wert

■i öd

3 des Hilfssignals ausschliesslich von der Temperatur T

r des Feldeffekttransistors 1 abhängig ist. Bei einer Ande-

j rung in dieser Temperatur ändern sich also die Spannungen

I in V und V_„_ auf identische Weise.

; ο Sb

'. Zur Veranschaulichung obiger Beschreibung stellt

ί Fig. 2 den Verlauf der beiden Spannungen als Funk Lion der

i Zeit dar, wobei die Kurve für V„ mit einer geringen Vcr-

; ob

j zögerung L· t dargestellt ist, um der Deutlichkeit haibor

• 15 zu vermeiden, dass die beiden Kurven teilweise zu s aminen- ! fallen würden. Es betrifft in diesem Fall eine Anordnung,

! bei der der Feldeffekttransistor ein sogenannter MOS-

I Transistor mit einer Gatterelektrode ist, der eine Spanniuif;

j zugeführt werden kann, die die Eingangsgrösse X bilde; t.

■ 20 Zu den Zeitpunkten t₁ und t„ wurde der Transistor

: kurzzeitig erwärmt, wodurch die beiden Spannungen V und

' V auf gleiche Weise anstiegen. Zu den Zeitpunkten T

und ti wurde eine negative bzw. positive Spannung üor Gatterelektrode zugeführt, wobei sich die Spannung V 25 änderte, während die Spannung V nicht einsprach.

Es wird klar ise.i.n, dass, wenn die Spannung V mit einem geeignet gewählten Faktor A verstärkt (geschwächt) wii-d und die Spannungen anschliessend voneinander iib^'ezogen werden, die sich ergebende Spannung V (Χ,Τ) - A. V ('j) 30 ausschliesslich von der zu messenden Grosse X und nicht, mehr von der Temperatur abhängig ist. Diese Bearbeitung kann mit einem an sich bekannten Differenzverstärker (nicht dargestellt) ausgeführt werden. Nach Bedarf kann die Spannung V„ auch beispielsweise zur Steuerung der 35 Referenzspannung V^ oder zur Steuerung eines (nicht dargestellten) Verstärkers benutzt werden, mit dem V weiter verstärkt wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist nur ein

030024/0628

ORIGINAL INSPECTED

29U364

3.9. 1979 ' -£· / PHN 9282

Beispiel und kann an vielen Punkten geändert werden. Statt des dargestellten Instrumentierungsverstärkers 5 und des Differenzverstärkers 21 kann jede andere geeignete Messschaltung verwendet werden. Beispiele derartiger Schaltungen sind in der erwähnten Veröffentlichung IEEE Transactions on Biomedical Engineering" genannt.

Auch das Zuführen des Hilfssignals kann auf andere als die angegebene Veise erfolgen, beispielsweise durch Anstrahlen des Feldeffekttransistors mit moduliertem Licht oder bei einem MOS-Transistor durcli Zuführen des Signals über eine Gatterelektrode.

030024/0628

Claims

3.9.1979 ' PHN 92H;j

PATENTANSPRÜCHE

1. J Anordnung zur Messung einer Grosse, die einen FeIdeffekttransistor beeinflusst, der eine Source- und eine Drainelektrode enthält, die mit Ansclilusspunkten einei" Messchaltung derart verbunden sind, dass Änderungen Lm Widerstand zwischen diesen Elektroden die Ausgnngsspanmm^ der Messchaltung beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Feldeffekttransistor (i) ein Hilfssignal zugeführt wird, dessen Frequenz ausserhalb des Frequenzbereichs liegt, in dem Änderungen der zu messenden Grosse auftreten, und dass die Messchaltung mit Mitteln (21, 37) zum Trennen von Signalen mit der Frequenz des Hilfssignals und von Signalen im erwähnten Frequenzbereich versehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gokennzeicli.net, dass die zu messende Grosse über einen ersten Eingang und das Hilfssignal über einen zweiten Eingang dem Feldeffekttransistor (1) zugeführt werden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Eingang des Feldeffekttransistors (i) durch einen mit dem Substrat dieses Transistors vorbundenen elektrischen Anschluss (31) gebildet wird.

030024/0628

ORIGINAL INSPECTED