JP2012533736A - 高速応答を有する広ダイナミックレンジ電位計 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、概して電流を測定する方法およびシステムに関する。特に、本発明は、広ダイナミックレンジを有する電流を迅速に測定する方法およびシステムに関する。
電位計は、極めて低いレベルで広レンジの電流を測定する。例えば、質量分析計は、0.1ピコアンペア(pA)未満〜10.0フェムトアンペア(fA)にわたる80の有効範囲を有する電流センサーを用いる。電流を測定する最も直接的な方法は、フィードバック構成において演算増幅器を用いることである。図1はフィードバック構成を例示し、このフィードバック構成において、抵抗器R(101)はフィードバック素子である。演算増幅器30は、反転入力32Aと、非反転入力32Bと、出力34とを含む。抵抗器Rは、増幅器30の出力34と増幅器30の反転入力32Aとの間に電気的に連結されて、フィードバックループを形成する。非反転入力32Bは、接地される。この構成において、出力電圧Voutは、次の関係に従って入力電流Iinと関係付けられる。
しかしながら、そのような構成は、いくらかの問題を被る。所与の帯域幅および温度に対して、入力電流ノイズは、抵抗器Rの抵抗の平方根に反比例する。従って、抵抗器Rの抵抗が減少すると、入力電流ノイズは増加する(同様に、抵抗器Rの抵抗が増加すると、入力電流ノイズは減少する)。
本発明は、概して電流を測定するシステムおよび方法を特徴とする。本発明の1つの利点は、本発明が数百ナノアンペア〜フェムトアンペアの広ダイナミックレンジにわたるより高速の電流測定を提供することである。本発明の別の利点は、本発明が、不完全なデータを与え、結果として過負荷の回復時間の問題を生じる飽和または過負荷の問題を除去することである。
図2Aは、本発明の例示的実施形態に従う電位計200の概略図である。電位計200は、AD549演算増幅器などの2つの高入力インピーダンス電位計増幅器A1およびA2(210、220)を含む。電位計200はまた、抵抗器R1およびR2(231、232)を含む。この実施形態において、抵抗器R1は20ギガオームの抵抗を有し、抵抗器R2は50メガオームのより低い抵抗を有する。抵抗器R1の第1の端部237は増幅器A1(210)の反転入力211に電気的に接続され、抵抗器R1の第2の端部239は増幅器A1の出力212に電気的に接続される。増幅器A1および抵抗器R1のこの構成は、電流から電圧への変換器を形成する。
Claims (19)
- 反転入力と、非反転入力と、出力とを有する増幅器と、
第1および第2の抵抗素子であって、各々は、第1および第2の端部を有し、該第1および第2の抵抗素子の第1の端部は、該増幅器の反転入力に電気的に連結され、該第1の抵抗素子の第2の端部は、該増幅器の出力に電気的に連結されている、第1および第2の抵抗素子と、
高インピーダンス入力と、出力とを有するバッファであって、該第2の抵抗素子の第2の端部は、該バッファの入力に電気的に連結されている、バッファと、
該増幅器の出力を該第2の抵抗素子の第2の端部に電気的に連結する少なくとも1つのダイオードと
を備えている、電位計。 - 前記バッファは、反転入力と、非反転入力と、出力とを有する第2の増幅器であり、該第2の増幅器の出力は、該第2の増幅器の反転入力に電気的に連結され、該第2の増幅器の非反転入力は、該バッファの入力であり、該第2の増幅器の出力はバッファの該出力である、請求項1に記載の電位計。
- 前記増幅器および前記バッファの出力に電気的に連結された計算ユニットをさらに備え、該計算ユニットは、前記第1および第2の抵抗素子の抵抗値と、該増幅器および該バッファの出力における電圧レベルとに基づいて、電流レベルを計算するように構成されている、請求項1に記載の電位計。
- 前記第2の抵抗素子の抵抗は、前記第1の抵抗素子の抵抗よりも大きい、請求項1に記載の電位計。
- 前記第1の抵抗素子は、10メガオーム〜100メガオームであり、前記第2の抵抗素子は、5ギガオーム〜50ギガオームである、請求項4に記載の電位計。
- 前記抵抗素子の抵抗間の比率は、10よりも大きい、請求項4に記載の電位計。
- 前記少なくとも1つのダイオードは、第1のダイオードと、第1の端部および第2の端部を有する低漏れおよび低静電容量の第2のダイオードとを備え、該第2のダイオードの第1の端部は、バッファの入力に電気的に連結され、該第2のダイオードの第2の端部は、該第1のダイオードに電気的に連結されている、請求項1に記載の電位計。
- 前記第2のダイオードの第2の端部をグラウンドに電気的に連結する第3の抵抗素子をさらに備えている、請求項7に記載の電位計。
- 前記第1のダイオードは、小信号シリコンダイオードである、請求項7に記載の電位計。
- コンデンサと、
入力および出力を有する調整可能利得増幅器であって、該調整可能利得増幅器の入力は、前記第2のダイオードの第2の端部に電気的に連結され、該調整可能利得増幅器の出力は、該コンデンサを介して該第2のダイオードの第1の端部に電気的に連結され、該調整可能利得増幅器は、該第2のダイオードにおける電荷とは反対の電荷を有するコンデンサを放電するように構成されている、調整可能利得増幅器と
をさらに備えている、請求項7に記載の電位計。 - 少なくとも前記第2のダイオード、前記増幅器、および前記バッファに連結された温度制御器をさらに備えている、請求項1に記載の電位計。
- 前記少なくとも1つのダイオードは、複数の対のダイオードを備え、各対は、並列に電気的に連結され、かつ逆極性で配置されている、請求項1に記載の電位計。
- 第1のアンチエイリアスフィルターおよび第2のアンチエイリアスフィルターであって、該第1のアンチエイリアスフィルターは、前記増幅器の出力に電気的に連結され、該第2のアンチエイリアスフィルターは、前記バッファの出力に電気的に連結されている、第1のアンチエイリアスフィルターおよび第2のアンチエイリアスフィルターと、
第1のアナログデジタル(A/D)変換器および第2のA/D変換器であって、該第1のA/D変換器は、該第1のアンチエイリアスフィルターの出力に電気的に連結され、該第2のA/D変換器は、該第2のアンチエイリアスフィルターの出力に電気的に連結されている、第1のA/D変換器および第2のA/D変換器と
をさらに備えている、請求項1に記載の電位計。 - 電流を測定する方法であって、
増幅器の出力において第1の電圧を感知することと、
該第1の電圧が所定のレベル未満である場合に、該第1の電圧と、該増幅器の反転入力と該増幅器の出力との間に電気的に連結された第1の抵抗素子の抵抗とに基づいて電流を計算することと、
バッファの出力において第2の電圧を感知することと、
該増幅器から出力された電圧が該所定のレベルを超えた場合に、該第1および第2の電圧と、該第1の抵抗素子および第2の抵抗素子の抵抗とに基づいて電流を計算することとを包含し、該第2の抵抗素子は、該増幅器の反転入力と該バッファの入力との間に電気的に連結されている、方法。 - 前記バッファの入力と前記増幅器の出力との間に電気的に連結された複数のダイオードのうちの少なくとも1つの順電圧の変化をサンプリングすることと、
該複数のダイオードのうちの該少なくとも1つの中に第1の電荷を注入することをさらに包含し、該第1の電荷は、該複数のダイオードのうちの該少なくとも1つに関連する第2の電荷と反対である、請求項14に記載の方法。 - 前記第1の電荷のレベルを調整することにより、前記複数のダイオードのうちの前記少なくとも1つに関連する第2の電荷に一致させることをさらに包含する、請求項15に記載の方法。
- 前記電圧を感知することは、前記増幅器の前記出力に電気的に連結された第1のA/D変換器から出力された第1の電圧データを読み取ることと、前記バッファの前記出力に電気的に連結された第2のA/D変換器から出力された第2の電圧データを読み取ることとを包含する、請求項14に記載の方法。
- 前記増幅器の反転入力にゼロ入力信号を印加することと、
前記第1のA/D変換器から第1の電圧データを読み取り、ゼロ入力電圧データを得ることとをさらに包含し、前記第1の抵抗素子の抵抗に基づいて電流を計算することは、該第1の電圧データと該ゼロ入力電圧データとの差を計算し、その結果を該第1の抵抗素子の抵抗で除すことにより、第1の電流データを得ることを包含する、請求項17に記載の方法。 - 前記第2のA/D変換器から第2の電圧データを読み取り、第2のゼロ入力電圧データを得ることをさらに包含し、前記第1の抵抗素子および第2の抵抗素子の抵抗に基づいて電流を計算することは、該第2の電圧データと該第2のゼロ入力電圧データとの差を計算し、その結果を該第2の抵抗素子の抵抗で除すことにより第2の電流データを得、前記第1の電流データと該第2の電流データとを合計することを包含する、請求項18に記載の方法。
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