DE2944364C2

DE2944364C2 - Anordnung zur Messung einer Größe, die einen Feldeffekttransistor beeinflußt

Info

Publication number: DE2944364C2
Application number: DE2944364A
Authority: DE
Inventors: Piet Enschede Bergveld
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-11-06
Filing date: 1979-11-02
Publication date: 1983-01-20
Also published as: FR2440599B1; GB2035577A; FR2440599A1; CH644448A5; AU531917B2; SE435553B; JPS5566750A; SE7909093L; JPS59780B2; US4267504A; DE2944364A1; AU5243879A; GB2035577B; NL187546C; NL7811001A; CA1123968A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung einer Größe, die einen Feldeffekttransistor beeinflußt, der eine Source- und eine Drainwektrode enthält, die mit Anschlußpunkien einer Moßschaliung derart verbunden sind, daß Änderungen im V/ Jerstand /wischen » diesen Elektroden die Ausgangsspannung der Meßschaltung beeinflussen.

Ein Beispiel einer derartigen Anordnung ist in der Zeitschrift »IEEE Transactions on Biomedical Engineering«.Vol. BME-19.Nr. 5. September 1972. S. 342... 351 sn beschrieben. In diesem Beispiel ist der Feldeffekttransistor ein ionenempfindlichcr Feldeffekttransistor und die zu messende Größe ist die Konzentration bestimmter Ionen in einer Flüssigkeit.

Ein Nachteil von Feldeffekttransistoren ist. daß sie 4i außer für die /u messende Größe auch für die Umgebungstemperalur empfindlich sind. Zwar ist es grundsätzlich möglich, ein /weites temperaturempfindliches Element in der Nahe des Feldeffekttransistors anzuordnen, um eine getrennte Anzeige der Temperatür zu erhalten, aber dabei besieht immer Ungewißheit über die Frage, ob die beiden Elemente stets genau die gleiche Temperatur haben und ob sie auf genau dieselbe Weise auf Temperaturänderungen ansprechen. Ein sehr genauer und zuverlässiger Temperaturausgleich ist « dahc nicht gut möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der ein Temperaturausgleich mit wesentlich größerer Zuverlässigkeit und Genauigkeit als bei der bekannten Anordnung möglich isli

Die Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung dadurch gelöst daß dem Feldeffekttransistor ein Hilfssignal zugeführt wird, dessert Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs liegt, in dem Änderühgen ih der zu messenden Größe auftreten, und daß die Meßschaltung mit Mittefn zum Trennen von Signalen mit der Frequenz des Hilfssignals Und Signalen Sm erwähnten Frequenzbereich versehen ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe über einen ersten Eingang und das Hilfssignal über einen zweiten Eingang dem Feldeffekttransistor zugeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Ha.id der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispie,j einer erfindungsgemäßen Anordnung, und

F i g. 2 eine Darstellung von Meßkurven, die mit einer derartigen Anordnung erhalten wurden.

Die in Fig. I dargestellte Anordnung enthält einen Feldeffekttransistor 1 zur Messung von Ionenaktivität n. einer Flüssigkeit, wie sie beispielsweise in der herangezogenen Veröffentlichung in »IEEE Transactions on Biomedical Engineering« oder in der niederländischen Offenlegungsschrift 76 02 619 beschrieben ist. In der Flüssigkeit befindet sich weiter eine geerdete Referenzelektrode 3.

Die .Anordnung enhält weiter einen Instrumentierungsverstärker 5, der an sich bekannt ist (siehe »Archiv für technisches Messen«. Blatt Z 6343-6 vom April 1973) und daher nicht näher erläutert zu werden braucht. Der Feldeffekttransistor 1 ist über mit seiner Source-, bzw. Drainelektrode verbundene Leiter 7 und 9 als variabler Widerstand in die Schaltung des Instrumentierungsverstärkers 5 zwischen den Anschlußpunkten 8 bzw. 10 aufgenommen, so daß der Widerstand zwischen den Source- und Drainelektroden die Verstärkung des Instrumentierungsverstärkers beeinflußt. Die über die Leiter 11 und 13 zugeführte Eingangsspannung des Instrumentierungsverstärkers wird durch die Spannung an einem Widerstand 15 gebildet, der aus einer Stromquelle 17 mit einem konstanten Strom /gespeist wird. Diese Spannung ist daher konstant, so daß die Spannung am Ausgang 19 ausschließlich vom Widerstand des Feldeffekttransistors 1 abhängig ist. Diese Ausgangsspannung wird einem Differenzverstärker 21 zugeführt und mit einer über einen Leiter 23 ebenfalls diesem Differenzverstärker /ugefnhrten einstellbaren Referenzspannung V„, verglichen. Fm Ruckkopplungskondensator 25 bestimmt die Abschncidfrequenz des Differenzverstärker 21

Der Ausgangsstrom // des Differen/verstärkers 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 /11 messenden Größe X. d. h. der lonenaktivität. von der Temperatur T des Feldeffekttransistors 1. von der Referenzspannung V_rcl und vom Verhältnis /.»miien uen Widerstanden 27 und 29 abhängig ist. Durch die Wahl der Referenzspannung Vr,, kann ein Nullpunkt für die Messung eingestellt werden, während mn dem Widerstand 29 die Empfindlichkeit bestimmt werden kann.

Für die Bestimmung des Einflusses der Temperatur T ist das Substrat des Feldeffekttransistors 1 mit Hilfe "eines E|ektrödenänschiusses3i über einen Transformator 33 mil einer Spatirturigsquelle 35 verbunden, die dem Feideffekttrarisisfor ein Hilfssignal zuführt, dessen Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs liegt, in dem Änderungen in der zu messenden Größe X auftreten. Der Kondensator 25 ist beispielsweise so gewählt, daß der Differenzverstärker 21 Signale bis zu 3 kHz

verarbeitet, wahrend f'.e Frequen? Ί=5 Hiifssignnls 30 kHz beträgt.

Wie die zu messende Größe beeinflußt auch das Hilfssignal den Widerstand des Feldeffekttranistors 1. Das Signal am Ausgang 19 des Instrumentierungsverstärkers 5 ist also aus einer niederfrequenten Komponente, die von der zu messenden Größe X abhängig ist, und aus einer hochfrequenten Komponente, zusammengesetzt, die vom Hilfssignal abhängig ist. Beide Komponenten sind außerdem auf gleiche Weise von der Temperatur 7 des Feldeffekttransistors abhängig. Der Ausgang 19 ist außer mit dem Differenzverstärker 21 mit dem Eingang eines an sich bekannten Detektors 37 verbunden, der zur Messung der Amplitude von Signalen mit der Frequenz des Hilfssignals eingerichtet ist. Am Ausgang dieses Detektors erscheint daher eine Spannung Vst» die außer vom konstanten Wert des Hilfssignals ausschließlich von der Temperatur T des Feldeffekttransistors 1 abhängig ist. Bei einer Änderung in dieser Temperatur ändern sich also die Spannungen 2η K_ound Vssauf identische Weise.

Zur Veranschaulichung obiger Beschreibung stellt F i g. 2 den Verlauf der beiden Spannungen als Fvnktion der Zeit dar, wobei die Kurve für Vsb mit einer geringen Verzögerung Al dargestellt ist, um der Deutlichkeit halber zu vermeiden, daß die beiden Kurven teilweise zusammenfallen würden. Es betrifft in diesem Fall eine Anordnung, bei der der Feldeffekttransistor ein sogenannter MOS-Transistor mit einer Gatterelektrode ist, der eine Spannung zugeführt werden kann, die die so Eingangsgröße Xbildet.

Zu den Zeitpunkten U und h wurde der Transistor kurzzeitig erwärmt, wodurch die beiden Spannungen V₁, und Vs/, auf gleiche Weise anstiegen. Zu den Zeitpunkten ti und u wurde eine negative bzw. positive Spannung der Gatterelcktrode zugeführt, wobei sich die Spannung V₁, änderte, während die Spannung V»nicht ansprach.

Es wird klar sein, daß, wenn die Spannung Vv* mit einem geeignet gewählten Faktor A verstärkt (geschwächt) wird und die Spannungen anschließend voneinander abgezogen werden, die sich ergebende Spannung VJ[X. T)-A- V_sb(TJ ausschließlich von der zu messenden Größe 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 Vv* auch beispielsweise zur Steuerung der Referenzspannung V_rei oder zur Steuerung eines (nicht dargestellten) Verstärkers benutzt werden, mit dem V„ weiter verstärkt wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist nur ein Beispiel und kann an vielen Punkten geändert werden. Statt des dargestellten Instrumentierunesverstärkers 5 und des Differenzverstärkers 21 ka><n jede andere geeignete Meßschaltung verwendet werden. Beispiele derartiger Schaltungen sind in der erwähnten Veröffentlichung »IEEE Transactions on Biomedical Engineering« genannt.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung einer Größe, die einen Feldeffekttransistor beeinflußt, der eine Source- und eine Drainelektrode enthält, die mit Anschlußpunkten einer Meßsohaliung derart verbunden sind, daß Änderungen im Widerstand zwischen diesen Elektroden die Ausgangsspannung der Meßschaltung beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldeffekttransistor (1) ein Hilfssignal m zugeführt wird, dessen Frequenz außerhalb des Frequenzbereichs liegt, in dem Änderungen der zu messenden Größe auftreten, und daß die Meßschaltung mit Mitteln (21, 37) zum Trennen von Signalen mit der Frequenz des Hilfssignals und von Signalen r> im erwähnten Frequenzbereich versehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Größe über einen ersten Eingang und das Hilfssignal über einen zweiten Eingang dem Feldeffekltransitor (1) zügeführt werden

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Eingang des Feldeffekttransistors (I) durch einen mit dem Substrat dieses Transistors verbundenen elektrischen Anschluß (31) gebildet wird.