EP0705437A1 - Messverstärker - Google Patents

Messverstärker

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Publication number
EP0705437A1
EP0705437A1 EP94918372A EP94918372A EP0705437A1 EP 0705437 A1 EP0705437 A1 EP 0705437A1 EP 94918372 A EP94918372 A EP 94918372A EP 94918372 A EP94918372 A EP 94918372A EP 0705437 A1 EP0705437 A1 EP 0705437A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
amplifier
input
measuring
gain
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP94918372A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
N. Rolff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Original Assignee
Leybold AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Leybold AG filed Critical Leybold AG
Publication of EP0705437A1 publication Critical patent/EP0705437A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0023—Measuring currents or voltages from sources with high internal resistance by means of measuring circuits with high input impedance, e.g. OP-amplifiers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/02—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass of auxiliary devices, e.g. of instrument transformers according to prescribed transformation ratio, phase angle, or wattage rating
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
    • H03F1/30—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters
    • H03F1/303—Modifications of amplifiers to reduce influence of variations of temperature or supply voltage or other physical parameters using a switching device

Definitions

  • the invention relates to a measuring amplifier according to the preamble of patent claim 1.
  • Ampere can be, but can not be neglected in particular if very small currents are to be amplified with the measuring amplifier. This is e.g. then the case when the measuring amplifier is used in vacuum technology to amplify the ion currents formed and measured by an ionization vacuum meter, ie in the order of magnitude from 10-15
  • the input current to be amplified is switched off and the fault current is measured. It is disadvantageous that a measurement value acquisition is not possible when the input current is switched off.
  • the invention has for its object to provide a measuring amplifier which also permits measured value acquisition during the measurement of the fault current.
  • the gain-determining branch of the amplifier contains a further gain-determining element, the connection point of the gain-determining elements forming the signal input of the amplifier. Furthermore, a control element is provided which is parallel to the second gain-determining element and which is arranged between the signal input and the input of the amplifier module. In his managerial position the control element bridges the second gain-determining element, so that the signal input and the input of the amplifier module are at almost the same potential.
  • a voltage is established at the output of the amplifier which essentially corresponds to the voltage at the first gain-determining element.
  • a voltage is set which corresponds to the sum of the voltages at both gain-determining elements.
  • the fault current of the amplifier module can be determined from the difference between the output voltages present at the signal output of the measuring amplifier in the case of a conductive and non-conductive control element. If the size of the fault current is known, the output signal of the measuring amplifier can be corrected accordingly or compensated with a compensation current.
  • the measuring amplifier according to the invention allows a measurement value acquisition both with a conductive and with a non-conductive control element.
  • the input current to be measured does not need to be switched off to determine the fault current, so that the measuring process takes relatively little time.
  • the feedback elements can be ohmic resistors, so that the amplifier works as a current-controlled voltage source. An output voltage proportional to the input current is then present at the signal output of the measuring amplifier.
  • capacitors can also be used as charge amplifiers or nonlinear components, for example as logarithmizers or the combination of different components. Operational amplifiers can be used as an amplifier module in an inverting or non-inverting arrangement, but other components, for example field effect transistors, can also be used.
  • a compensation current source is advantageously provided, which delivers a fixed or adjustable compensation current which is fed in at the input of the amplifier module.
  • the compensation current is set in such a way that the output voltages of the amplifier are the same for a conductive and non-conductive control element.
  • the single figure shows the measuring amplifier with resistors as negative feedback elements, the amplification being implemented with an operational amplifier in an inverting arrangement.
  • the measuring amplifier has an operational amplifier 1, the non-inverting input 3 of which is at ground potential.
  • the inverting input 5 of the operational amplifier is connected to the operational amplifier output via a negative feedback branch 9.
  • the negative feedback branch 9 contains two series-connected resistors R -, / R 2 a - * - s gain- determining elements.
  • the connection point of the resistors Ri R, b i ldet detects the signal input 11 of the measuring amplifier, into which the input current I to be measured is fed.
  • Output 7 forms the signal output of the measuring amplifier of the operational amplifier 1.
  • a switching element 13 is connected in parallel with the resistor R 1, which is arranged between the signal input 11 and the inverting input 5 of the operational amplifier 1, which bridges the resistor R 2 in its closed position.
  • a mechanical or electronic switch can be used as the switching element 13.
  • two diodes D, D 'connected in parallel are provided, which are located between the inverting input 5 of the operational amplifier 1 and ground.
  • a resistor R_ in series with the input serves as further protection.
  • the measuring amplifier also has a compensation current source, not shown, which supplies an adjustable compensation current I. The compensation current I is fed to the inverting input 5 of the operational amplifier 1.
  • the compensation of the fault current takes place on the assumption that the fault current is essentially caused by the operational amplifier 1 and the diodes D, D '.
  • the fault current that flows in the branch between the signal input 11 and the inverting input 5 of the operational amplifier 1 is referred to as I -.
  • the output voltage U at the signal output of the measuring amplifier assuming that the non-inverting input of the operational amplifier 1 forms a virtual ground point, corresponds to the voltage drop across the resistor R_, which is calculated from (I + I f ) x R.
  • the switching element 13 is open, the output voltage U results from the sum of the voltage drop across the resistor R ⁇ and R “, which is calculated from (I m + I f ) x R.
  • the fault current I f can then be calculated from the difference between the switching element measured output voltages U.
  • the compensation current I supplied by the compensation current source is set such that the output voltage U remains the same when the switching element 13 is opened and closed. If the same output voltage is set at the signal output both when the switching element is open and when it is closed, the fault current is compensated and the output voltage is only dependent on the measuring current I. Consequently, even very small currents can be amplified with high accuracy using the measuring amplifier.
  • the input current does not need to be switched off to determine the compensation current, so that measured value acquisition is also possible during the compensation process.

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Abstract

Ein Meßverstärker zum Bestimmen von kleinen Strömen weist mindestens ein einseitig am Meßeingang angeschlossenes, verstärkungsbestimmendes Eingangselement (R1) und einen fehlerstrombehafteten Strom- und/oder Spannungsverstärker (1) auf. Dieser ist mittels eines weiteren, den Verstärkungsfaktor des Fehlerstroms bestimmenden Schaltungsteils (R2) angeschlossen. Durch Veränderung der Charakteristik dieses Schaltungsteils, z.B. Widerstand mit parallel geschaltetem Schalter (13), läßt sich aus der Differenz der Ausgangsspannungen infolge der beiden Schaltzustände der resultierende Fehlerstrom (If) ermitteln. Ferner kann eine Kompensationsstromquelle vorgesehen sein, die einen festen oder variablen Kompensationsstrom (Ik) liefert, der am aktiven Eingang des Verstärkerbausteins eingespeist wird und sinnvollerweise derart eingestellt ist, daß die Ausgangsspannung in beiden Schaltzuständen gleich ist. Damit ist erreicht, daß die Ausgangsspannung nicht durch Fehlerströme des Verstärkerbausteins fehlerbehaftet ist.

Description

Meßverstärker
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 Gegerikopp- 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 Ionisationsva¬ kuummeter gebildeten und gemessenen Ionenströme ein- gesetzt wird, d e 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 Me߬ verstärkers entsprechend korrigiert oder mit einem Kompensationsstrom kompensiert werden.
Der erfindungsgemäße Meßverstärker erlaubt eine Me߬ 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 oh sche 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 l 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 Gegenkopplungεzweig 9 enthält zwei in Reihe geschaltete Widerstände R-,/R2 a-*-s verstärkungsbestimmende Elemente. Der Verbindungspunkt der Widerstände Ri R, bildet den Signaleingang 11 des Meßverstärkers, in den der zu messende Eingangsstrom I eingespeist wird. Den Signalausgang des Meßverstärkers bildet der Ausgang 7 des Operationsverstärkers 1. Parallel zu dem Widerstand R„, 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 R_. Der Meßverstärker weist ferner eins nicht dargestellte Kompensationsstromquelle auf, die einen einstellbaren Kompensationsstrom I, liefert. Der Kompensationsstrom I, 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 - bezeichnet. Bei geschlossenem Schaltelement 13 entspricht die AusgangsSpannung U am Signalausgang des Meßverstärkers unter der Annahme, daß der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 1 einen virtuellen Massepunkt bildet, dem Spannungsabfall an dem Widerstand R_, der sich aus (I + If) x R, errechnet. Bei geöffnetem Schaltelement 13 ergibt sich die AusgangsSpannung U aus der Summe des Spannungsabfalls an dem Widerstand Rχ und R„, der sich aus (Im + If) x R. + If x R_ berechnet. Der Fehlerstrom If kann dann aus der Differenz der bei geöffnetem und geschlossenen Schalt- element gemessenen AusgangsSpannungen U. bestimmt werden. Zur Kompensation des Fehlerstroms If wird der von der KompensationsstromqueUe gelieferte Kompen¬ sationsstrom I. so eingestellt, daß beim Öffnen und Schließen des Schaltelements 13 die AusgangsSpannung U 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 abhängig. Folglich lassen sich mit dem Me߬ verstärker auch sehr kleine Ströme mit hoher Genauig¬ keit verstärken. Zur Bestimmung des KompensationsStroms braucht der Eingangsstrom nicht abgeschaltet zu werden, so daß eine Meßwerterfassung auch während des Kompen¬ sationsvorgangs möglich ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Meßverstärker zum Bestimmen von kleinen Strömen mit midestens einem einseitig am Meßeingang ange¬ schlossenen, verstärkungsbestimmenden Eingangs¬ element (R.) und einem fehlerstrombehafteten Strom- und/oder Spannungsverstärker (1) ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Verbindung des Meßeingangs mit dem ver¬ stärkungsbestimmenden Eingangselement (R_. ) über ein weiteres, im wesentlichen' den Fehlerstromver¬ stärkungsfaktor bestimmendes Element (R~), 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 (R-,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-*.) 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, ) derart eingestellt ist, daß die Ausgangsspannungen (U ) 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.
EP94918372A 1993-06-23 1994-05-26 Messverstärker Withdrawn EP0705437A1 (de)

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DE19934320818 DE4320818A1 (de) 1993-06-23 1993-06-23 Meßverstärker
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