JPH0357966A - 微小電流測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ガスクロマトグラフ質量分析計や高速用途の
電離真空計の微小電流測定のように、特に、広いダイナ
ミックレンジと迅速な測定が真に同時に要求される厳し
い条件の場合に使用される微小電流測定回路に関するも
のである。

［従来技術コ 広いダイナミックレンジと迅速な測定が要求される微小
電流測定の場合に使用される電流測定回路としては、従
来は第５図に示すような、高入力インピーダンス演算増
幅器ＩＣの非反転入力端子ＮＴを接地、反転入力端子Ｉ
Ｔと出力ＯＴの間に帰還抵抗器Ｒｆを挿入し、この反転
入力端子ＩＴに被測定電流を入力する電流電圧変換回路
が専ら使用されている。

そして、測定のダイナミックレンジを広くするためには
、第６図に示すように、リレーの接点Ｋ１〜Ｋ３等を使
用して（または、電界効果トランジスタを用いる切り替
え器をここに使って）、抵抗値に大差を有する複数の帰
還抵抗器Ｒｆｌ−Ｒｆ４を逐次切り替えて測定を行なう
方法が採用されていた。

このほかに、ダイナミックレンジを広くし且つ迅速な測
定を行なう回路としては、第７図にその基本的な回路構
成を示すような、対数増幅器を使うものがあり、この回
路では最高感度で１０−”Ａ台の電流が測定できている
。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら上記した従来の回路では、リレーまたは電
界効果トランジスタを用いて帰還抵抗器を切り替えると
き、特に高感度測定に測定を切り替えたときに、出力の
安定までに時間がかかつて迅速な測定ができないという
欠点があった。

又、対数増幅器を使う回路でも、１０−９Ａ台の最高感
度では、例えば質量分析計の場合等では感度に不足があ
って採用することができなかった。

対策として、高感度用と低感度用の複数の電流電圧変換
回路を用意し、これらを切り替えて検出を行なうような
微小電流測定回路も考えられはしたが、２つの検出部を
単純に機械的に組み合わせて回路を構成することは徒ら
に回路を高価にし、やはり採用できなかった。

［発明の目的］ 本発明は上記従来の問題を解決し、ダイナミックレンジ
が充分に広＜、シかも迅速測定の可能な微小電流測定回
路を提供することを目的とする。

［問題を解決するための手段コ 本発明は、低感度用抵抗器と高感度用抵抗器の直列接続
よりなる帰還抵抗器を、入力端と出力端の間に挿入した
高入力インピーダンス演算増幅器で構成され、被測定電
流が入力される電流電圧変換回路と、 その低感度用抵抗器の両端の電圧を入力とする高入力イ
ンピーダンス差動増幅回路と、前記高入力インピーダン
ス演算増幅器が飽和状態に達する前にバイパス電流を流
してその飽和を防止するような、前記高感度用抵抗器に
並列に接続された電流バイパス回路と、 の３者を備えて、前記電流電圧変換回路の出力端子に高
感度用電流検出値を出力すると同時に、前記高入力イン
ピーダンス差動増幅回路の出力端子に低感度用電流検出
値を出力するようにした微小電流測定回路によって前記
目的を達成したものである。

その高入力インピーダンス差動増幅回路の出゛力を低感
度用入力、電流電圧変換回路の出力を高感度用入力とし
て、Ｍ電流バイパス回路の導通、非導通に応じてこれら
２つの入力のいずれか一方を選択し、それを電流測定値
として出力する検出値選択回路を具えるとき、特に利用
価値の高い微小電流測定回路が得られる。

［作用］ 微小電流値の高感度用検出値としては、電流電圧変換回
路の出力電圧を読み取るが、その出力電圧値は、帰還抵
抗器即ち低感度用抵抗値と高感度用抵抗値を加算したも
のに、被測定電流値を乗じたものである。

電流値の低感度検出が必要となるのは、高入力インピー
ダンス演算増幅器の出力が飽和するか飽和に近づいた時
であるが、この時は高感度用抵抗器に並列に挿入された
電流バイパス回路が動作して電流をバイパスさせ、高入
力インピーダンス演算増幅器の飽和が防止される。従っ
て低感度用帰還抵抗器を流れる電流は依然被測定電流に
等しく、低感度用検出抵抗器の両端に現れる電圧を高入
力インピーダンス差動増幅器の出力端子で、低感度用測
定値として誤差なく検出し読み取ることが可能である。

上記の低感度用測定値と高感度用測定値は、その両者を
入力とし、そのいずれか一方を選択して微小電流測定値
として出力する検出値選択回路を具える時、読み取りに
大きい便宜がある。

（実施例） 第１図は本発明の実施例であり、質量分析計の二次電子
増倍器の出力を被測定入力電流とする微小電流測定回路
の回路図である。その為、この回路は負の被測定入力電
流を検出する構成になっている。

本図において、入力端子■に入力された負の被測定電流
ｉは、低感度用抵抗器Ｒ１と高感度用抵抗器Ｒ２の直列
抵抗（Ｒ１＋Ｒ２）を帰還抵抗とする高入力インピーダ
ンス演算増幅器ＩＣＩの反転入力端子ＩＴＩ　（他方の
入力端子ＮＴＩは接地）に流入するが、被測定入力電流
ｉが小さくて演算増幅器ＩＣＩが飽和していない間は、
■Ｃ１０入カインピーダンスは無限大とは言えないまで
も充分に大きいので、反転入力端子ＩＴＩから演算増幅
器ＩＣＩの内部へは電流は流れ込まず、電流ｉは帰還抵
抗器（Ｒ１＋Ｒ２）を通ってＩＣＩの出力端子ＯＨに達
する。

それ故、被測定入力電流ｉが小さい間は、演算増幅器Ｉ
ＣＩと帰還抵抗器（Ｒ１＋Ｒ２）によって電流電圧変換
回路ＣＯＮＶが形成され、測定感度が帰還抵抗器（Ｒ　
１　＋Ｒ２）の値で決まるような出力、即ち高感度用電
流検出出力が、出力端子ＯＨに得られる。

被測定入力電流ｉの絶対値が大きくなって若し演算増幅
器ＩＣＩが飽和すると、電流ｉが演算増幅器ＩＣＩの内
部に流れ込むようになるので、それを防止する目的で、
帰還抵抗器の一方である高抵抗値の高感度用抵抗器Ｒ２
にはそれに並列に電流バイパス回路ＢＤが挿入してあり
、電流ｉの一部がそれに分流しはじめるようにしてある
。

演算増幅器ＩＣＩが飽和しないので、低感度用抵抗器Ｒ
ｌには、依然として、電流電圧変換回路ＣＯＮＶの影響
を受けない被測定電流ｉがそのまま流れることになる。

従って検出抵抗器Ｒ１の両端に現れる電圧は、Ｒ１の抵
抗値に被測定入力電流ｉの値を乗じた値である。

この電圧は、演算増幅器ＩＣ２、ＩＣ３およびＩＣ４の
三者で構成される周知の回路構成の高入力インピーダン
ス差動増幅回路ＤＡに送られ、そしてその出力端子ＯＬ
に低感度用出力が得られる。

以上のようにして、抵抗器Ｒ２の値に対応した高感度用
出力が端子ＯＨに、抵抗器Ｒｌと高入力インピーダンス
差動増幅回路ＤＡの利得に対応した低感度用出力が端子
ＯＬに、これらが同時に得られることになる。

この両出力は共に、第２図に示すように、アナログスイ
ッチＡＳＷを内蔵するマルチブレクサＭＵＴＩ、Ａ／Ｄ
コンバータＡＤＣ，　　マイクロプロセッサＭＰＵで構
成される検出値選択回路ＤＥＤに入力される。そして、
このマルチプレクサＭＵＴＩ内のアナログスイッチＡＳ
Ｗの切り替え、即ち前記両出力のいずれを選択するかの
切り替えをマイクロプロセッサＭＰＵの出力するセレク
ト信号ＳＬで制御し、出力端子ＯＨの高感度用出力が飽
和していなければＯＨ側出力を、飽和した場合は出力Ｏ
Ｌ側の低感度用出力を、それぞれ自動的に選ぶように構
成し、選択の結果を出力することで、等価的にダイナミ
ックレンジが極めて広く、また、迅速な測定のできる、
優れた性能の微小電流測定回路が得られる。

なお、Ａ／Ｄコンバータの変換時間は、第６図で述べた
リレー切り替えの場合の出力の安定までに要する時間に
較べれば格段に短い。測定が迅速なのはそのためである
。

さらに別の例を挙げれば、第３図に示すように、検出値
選択回路ＤＥＤに演算増幅器を用いた比較器ＣＭＰを用
意して、端子ＯＨに得られる高感度用出力を、演算増幅
器の飽和即ち電流バイパス回路ＢＤの導通、非導通に対
応して設けられた基準電圧ＶＦと比較し、この比較器Ｃ
ＭＰの出力をセレクト信号ＳＬとして用いて、マルチプ
レクサＭＵＴ■内のアナログスイッチＡＳＷを切り替え
、同じセレクト信号ＳＬをマイクロプロセッサーＭＰＵ
に与えるようにする。このようにすると、マイクロプロ
セッサーＭＰＵは、Ａ／ＤコンバータＡＤＣで変換され
入力されて来たデータが、端子ＯＬの低感度出力か端子
Ｏ。の高感度出力かを容易に判別することができる。

上記の第１図は、エレクトロンが入力される場合の微小
電流検出回路なので、負の入力電流を検出する構成にし
てあるが、イオンが入力される場合は正の入力電流を検
出する構成にしなくてはならない。この場合は、演算増
幅器ＩＣＩの出力は負電圧出力となるので回路構成では
、Ｑ１はＰチャンネル電界効果トランジスタとし、バイ
アスを正電圧にするためにＶＤＤ部は正の定電圧電源と
なる。

第４図には、イオン電流検出の場合のＮチャンネル電界
効果トランジスタＱ２を使用した例を示す。この場合は
出力端子ＯＨの出力が負電圧なので、演算増幅器ＩＣ５
を用いた符号反転回路ＩＣＣにより符号を反転させてか
らＮチャンネル電界効果トランジスタＱ２に制御信号を
供給している。

さらに、ＯＬ１　０Ｈの出力をそれぞれ増幅器Ｌ１〜Ｌ
３、Ｈ１〜Ｈ３で後段増幅し、それらの出力値Ｏ，〜０
６を８倍づつ上昇するように設定することで、マルチブ
レクサを経由しＡ／Ｄコンバータでディジタル変換され
た測定値を、２進数で３ビットづつシフトして読めばよ
いものにでき、一層の簡略化と使用の便宜を図ることが
できる。

（発明の効果） 本発明によれば、１人力の微小電流検出回路で、同時に
低感度出力と高感度出力の両方を得ることができ、また
さらに、自動的に有効な方の出力を選択するようにする
ことで、広い入力電流範囲に亘り迅速に測定することが
可能な有能な装置が得られる。この回路は質量分析計の
用途の中でも特に迅速測定が要求されるもの例えばガス
クロマトグラフ質量分析装置等で有効である。ガスクロ
マトグラフ質量分析装置で計測したい電流値範囲は約Ｉ
　Ｘ　１　０−６ＡからＩ　Ｘ　１　０−＋２Ａであり
、大小の信号が混交して入力されている為従来の方法で
は電流電圧変換回路の帰還抵抗器をリレー等で切り替え
ていたので迅速な測定はできなかった。強いて迅速な測
定をしようとすれば、一定の感度にしておいて測定する
ことでその分ダイナミックレンジは犠牲にしていたのが
本発明では完全に解決される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電流検出部の回路図。 第２図は、それを組み込んだ本発明の実施例の微小電流
測定装置のブロック図。 第３図と第４図はそれぞれ、別の実施例のブロック図で
ある。 第５図は従来の微小電流測定回路の回路図。 第６図は、そのダイナミックレンジを広くしたものの回
路図。 第７図は、従来の対数増幅器を使用する微小電流測定回
路の回路図。 ■・・・人力端子、　　ＯＴ・・・出力端子、ＯＨ・・
・高感度用出力端子、　　ＯＬ・・・低感度用出力端子
、　　ｉ・・・被測定入力電流、　　ＭＵＴＩ・・・マ
ルチプレクサ、　　ＡＤＣ・・・Ａ／Ｄコンバータ、Ｍ
ＰＵ・・・マイクロプロセッサー　　ＳＬ・・・セレク
ト信号、ＤＥＤ・・・検出値選択回路、　　ＩＣＣ・・
・演算増幅器ＩＣ４を用いた符号反転回路、　　Ｑ１・
・・Ｎチャネル電界効果トランジスタ、　　Ｒ１・・・
低感度用抵抗器、　　Ｒ２・・・高感度用抵抗器、　　
Ｒ３〜Ｒｌｌ・・・抵抗器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）低感度用抵抗器と高感度用抵抗器の直列接続より
   なる帰還抵抗器を入力端と出力端の間に挿入した高入力
   インピーダンス演算増幅器で構成された、被測定電流が
   入力される電流電圧変換回路と、 該低感度用抵抗器の両端の電圧を入力とする高入力イン
   ピーダンス差動増幅回路と、 該高入力インピーダンス演算増幅器が飽和状態に達する
   前にバイパス電流を流してその飽和を防止するような、
   該高感度用抵抗器に並列に接続された電流バイパス回路
   と、 の３者を備えて、 該電流電圧変換回路の出力端子に高感度用電流検出値を
   出力すると同時に、該高入力インピーダンス差動増幅回
   路の出力端子に低感度用電流検出値を出力するように構
   成したことを特徴とする微小電流測定回路。
2. （２）該高入力インピーダンス差動増幅回路の出力を低
   感度用入力、該電流電圧変換回路の出力を高感度用入力
   とし、該電流バイパス回路の導通、非導通に応じてこれ
   ら２つの入力のいずれか一方を選択してそれを電流測定
   値として出力する検出値選択回路を具えたことを特徴と
   する請求項（１）記載の微小電流測定回路。