DE4320818A1 - Meßverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Meßverstärker nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Strom/Spannungs-Wandler bekannt, die aus einem Operationsverstärker bestehen, dessen nichtinvertieren­ der Eingang auf Massepotential liegt. Bei den bekannten Wandlern befindet sich zwischen dem invertierenden Ein­ gang des Operationsverstärkers und dessen Ausgang ein Gegenkopplungszweig mit einem Widerstand als Gegenkopp­ lungselement. Der Eingangsstrom wird an dem inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers einge­ speist, so daß sich am Ausgang des Verstärkers eine dem Eingangsstrom proportionale Ausgangsspannung einstellt. Derartige Strom/Spannungs-Wandler werden aufgrund ihres extrem niedrigen Eingangswiderstands als Meßverstärker eingesetzt.

Nachteilig ist bei den bekannten Strom/Spannungs- Wandlern, daß die Ausgangsspannung durch einen zeitlich veränderlichen Fehlerstrom oder Leckstrom im Opera­ tionsverstärkereingang beeinflußt wird. Der Fehler­ strom, der in Größenordnungen von 10^-14 bis 10^-11 Ampere liegen kann, kann aber insbesondere dann nicht vernachlässigt werden, wenn mit dem Meßverstärker sehr kleine Ströme verstärkt werden sollen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn der Meßverstärker in der Vakuum­ technik zur Verstärkung der von einem Ionisationsvakuummeter gebildeten und gemessenen Ionenströme ein­ gesetzt wird, die in einer Größenordnung ab 10^-15 Ampere liegen.

Zur Bestimmung des Fehlerstroms wird bei den bekannten Meßverstärkern der zu verstärkende Eingangsstrom abge­ schaltet und der Fehlerstrom gemessen. Nachteilig ist, daß bei abgeschaltetem Eingangsstrom eine Meßwerter­ fassung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßver­ stärker zu schaffen, der auch während der Messung des Fehlerstroms eine Meßwerterfassung erlaubt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverstärker enthält der verstärkungsbestimmende Zweig des Verstärkers ein wei­ teres verstärkungsbestimmendes Element, wobei der Ver­ bindungspunkt der verstärkungsbestimmenden Elemente den Signaleingang des Verstärkers bildet. Ferner ist ein Steuerelement vorgesehen, das parallel zu dem zweiten verstärkungsbestimmenden Element liegt, das zwischen dem Signaleingang und dem Eingang des Verstärkerbau­ steins angeordnet ist. In seiner leitenden Stellung überbrückt das Steuerelement das zweite verstärkungs­ bestimmende Element, so daß der Signaleingang und der Eingang des Verstärkerbausteins auf nahezu gleichem Potential liegen.

Bei leitendem Steuerelement stellt sich am Ausgang des Verstärkers eine Spannung ein, die im wesentlichen der Spannung an dem ersten verstärkungsbestimmenden Element entspricht. Bei nichtleitendem Steuerelement stellt sich eine Spannung ein, die der Summe der Spannungen an beiden verstärkungsbestimmenden Elementen entspricht. Aus der Differenz der bei leitendem und nichtleitendem Steuerelement am Signalausgang des Meßverstärkers an­ liegenden Ausgangsspannungen kann der Fehlerstrom des Verstärkerbausteins bestimmt werden. Ist die Größe des Fehlerstroms bekannt, kann das Ausgangssignal des Meß­ verstärkers entsprechend korrigiert oder mit einem Kompensationsstrom kompensiert werden.

Der erfindungsgemäße Meßverstärker erlaubt eine Meß­ werterfassung sowohl bei leitendem als auch bei nicht­ leitendem Steuerelement. Der zu messende Eingangsstrom braucht nicht zur Bestimmung des Fehlerstroms abge­ schaltet zu werden, so daß der Meßvorgang relativ wenig Zeit in Anspruch nimmt.

Die Rückkopplungselemente können ohmsche Widerstände sein, so daß der Verstärker als stromgesteuerte Span­ nungsquelle arbeitet. Am Signalausgang des Meßverstär­ kers liegt dann eine dem Eingangsstrom proportionale Ausgangsspannung an. Ferner können auch Kondensatoren als Ladungsverstärker oder nichtlineare Bauteile, z. B. als Logarithmierer oder die Kombination verschiedener Bauteile, Verwendung finden.

Als Verstärkerbaustein können Operationsverstärker in einer invertierenden oder nichtinvertierenden Anordnung Verwendung finden, jedoch sind auch andere Bauteile, z . B. Feldeffekttransistoren, einsetzbar.

Vorteilhafterweise ist eine Kompensationsstromquelle vorgesehen, die einen festen oder einstellbaren Kompen­ sationsstrom liefert, der an dem Eingang des Verstär­ kerbausteins eingespeist wird. Der Kompensationsstrom ist bei korrekter Fehlerstromkompensation so einge­ stellt, daß die Ausgangsspannungen des Verstärkers bei leitendem und nichtleitendem Steuerelement gleich sind. Durch Zustandsänderung des Steuerelementes und durch Veränderung der Größe des Kompensationsstroms kann der Fehlerstrom vollständig kompensiert werden, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers nicht durch Leckströme des Verstärkerbausteins fehlerbehaftet ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt den Meßverstärker mit Wider­ ständen als Gegenkopplungselemente, wobei die Verstär­ kung mit einem Operationsverstärker in invertierender Anordnung realisiert ist.

Der Meßverstärker weist einen Operationsverstärker 1 auf, dessen nichtinvertierender Eingang 3 auf Masse­ potential liegt. Der invertierende Eingang 5 des Operationsverstärkers ist mit dem Operationsverstärker­ ausgang über einen Gegenkopplungszweig 9 verbunden. Der Gegenkopplungszweig 9 enthält zwei in Reihe geschaltete Widerstände R₁, R₂ als verstärkungsbestimmende Elemente. Der Verbindungspunkt der Widerstände R₁, R₂ bildet den Signaleingang 11 des Meßverstärkers, in den der zu messende Eingangsstrom I_m eingespeist wird. Den Signalausgang des Meßverstärkers bildet der Ausgang 7 des Operationsverstärkers 1. Parallel zu dem Widerstand R₂, der zwischen dem Signaleingang 11 und dem inver­ tierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 1 ange­ ordnet ist, ist ein Schaltelement 13 geschaltet, das den Widerstand R₂ in seiner geschlossenen Stellung überbrückt. Als Schaltelement 13 kann ein mechanischer oder auch elektronischer Schalter Verwendung finden. Zum Schutz des Operationsverstärkers 1 vor Spannungs- Impulsen sind zwei parallel geschaltete Dioden D,D′ vorgesehen, die zwischen dem invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 1 und Masse liegen. Als weiterer Schutz dient ein in Reihe mit dem Eingang liegender Widerstand R₃. Der Meßverstärker weist ferner eine nicht dargestellte Kompensationsstromquelle auf, die einen einstellbaren Kompensationsstrom I_k liefert. Der Kompensationsstrom I_k wird an dem invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 1 eingespeist.

Die Kompensation des Fehlerstroms erfolgt unter der Annahme, daß der Fehlerstrom im wesentlichen von dem Operationsverstärker 1 und den Dioden D,D′ verursacht wird. Der Fehlerstrom, der in dem Zweig zwischen dem Signaleingang 11 und dem invertierenden Eingang 5 des Operationsverstärkers 1 fließt, ist als I_f bezeichnet. Bei geschlossenem Schaltelement 13 entspricht die Ausgangsspannung U_a am Signalausgang des Meßverstäkers unter der Annahme, daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 einen virtuellen Massepunkt bildet, dem Spannungsabfall an dem Widerstand R₁, der sich aus (I_m + I_f)×R₁ errechnet. Bei geöffnetem Schaltelement 13 ergibt sich die Ausgangsspannung Ua aus der Summe des Spannungsabfalls an dem Widerstand R₁ und R₂, der sich aus (I_m + I_f)×R₁ + I_f×R₂ berechnet. Der Fehlerstrom I_f kann dann aus der Differenz der bei geöffnetem und geschlossenen Schalt­ element gemessenen Ausgangsspannungen U_a bestimmt werden. Zur Kompensation des Fehlerstroms I_f wird der von der Kompensationsstromguelle gelieferte Kompen­ sationsstrom I_k so eingestellt, daß beim Öffnen und Schließen des Schaltelements 13 die Ausgangsspannung U_a gleich bleibt. Stellt sich am Signalausgang sowohl bei geöffnetem als auch bei geschlossenem Schaltelement die gleiche Ausgangsspannung ein, ist der Fehlerstrom kompensiert und die Ausgangsspannung ist nur noch vom Meßstrom I_m abhängig. Folglich lassen sich mit dem Meß­ verstärker auch sehr kleine Ströme mit hoher Genauig­ keit verstärken. Zur Bestimmung dem Kompensationsstroms braucht der Eingangsstrom nicht abgeschaltet zu werden, so daß eine Meßwerterfassung auch während des Kompen­ sationsvorgangs möglich ist.

Claims (7)

1. Meßverstärker zum Bestimmen von kleinen Strömen mit mindestens einem einseitig am Meßeingang ange­ schlossenen, verstärkungsbestimmenden Eingangs­ element (R₁) und einem fehlerstrombehafteten Strom- und/oder Spannungsverstärker (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Meßeingangs mit dem ver­ stärkungsbestimmenden Eingangselement (R₁) über ein weiteres, im wesentlichen den Fehlerstromver­ stärkungsfaktor bestimmendes Element (R₂), welches steuerbar variiert wird, zum Strom- und/oder Spannungsverstärker-Eingang (5) geführt wird.

2. Meßverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Strom- und/oder Spannungsver­ stärker (1) ein Operationsverstärker ist.

3. Meßverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der ver­ stärkungsbestimmenden Elemente (R₁, R₂) im Gegen­ kopplungszweig enthalten sind.

4. Meßverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der verstärkungsbestimmenden Elemente (R₁, R₂) ein Widerstand, ein Kondensator oder ein Kennlinien­ bauteil ist/sind.

5. Meßverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensations­ stromquelle vorgesehen ist, die einen festen oder einstellbaren Kompensationsstrom (I_k) liefert, der an dem Eingang (5) des Strom- und/oder Spannungs­ verstärkers (1) eingespeist wird.

6. Meßverstärker nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kompensationsstrom (I_k) derart eingestellt ist, daß die Ausgangsspannungen (U_a) des Verstärkers (1) bei geschlossenem und geöff­ netem Schaltelement (13) gleich sind.

7. Meßverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerstrom nicht oder teilweise kompensiert wird und der verblei­ bende Fehlerstrom erfaßt und nachträglich elimi­ niert wird.