KR100259934B1

KR100259934B1 - 전하율 전위계

Info

Publication number: KR100259934B1
Application number: KR1019970709608A
Authority: KR
Inventors: 존 레위스
Original assignee: 로버트 에프 오브리엔; 엠케이에스 인스트루먼츠 인코포레이티드
Priority date: 1995-06-29
Filing date: 1996-05-16
Publication date: 2000-06-15
Also published as: JPH10510367A; EP0879420A1; EP0879420A4; KR19990028294A; US5572118A; WO1997001885A1

Abstract

본 발명의 전위계(100)는 적분증폭기(12, 16)와 전자제어형 스위치(100, 111, 112, 113)를 포함한다. 스위치(110, 111, 112, 113)가 폐쇄될 때에 전위계(100)가 리셋트 되거나 소거되며, 스위치(110, 111, 112, 113)가 개방될 때에 증폭기(112, 16)가 적분기로서 작동한다. 스위치(110, 111, 112, 113)는 스위치(100, 111, 112, 113)와 증폭기(112, 16)의 입력 사이의 누설전류를 제거토록 구성된다. 전위계(100)는 매우 작은 입력전류에 대하여서도 작동하여 넓은 다이나믹 레인지에서 작동한다.

Description

전하율 전위계

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도면에서는 동일 또는 유사한 구성부분에 대하여 동일한 부호로 표시하였다.

도 1은 종래기술의 전위계를 보인 개략구성도.

도 2A-C는 도 1에서 보인 전위계의 동작을 설명하는 그래프.

도 3은 본 발명에 따라 구성된 전위계의 구성도.

도 4는 본 발명에 따라 구성된 전위계의 한 실시형태를 보인 상세도.

도 5는 본 발명에 따라 구성된 압력변환기의 구성도.

본 발명은 이온전류를 측정하기 위한 전하율 전위계(charge rate electrometers)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 매우 낮은 입력 전류레벨에서 작동하고 넓은 다이나믹 레인지를 갖는 전하율 전위계에 관한 것이다.

여러가지 전위계가 이온전류를 측정하기 위한 것으로 알려져 있으며 때로는 아날로그 입력전류신호를 출력전압신호로 변환시키는 회로의 형태를 취하기도 한다. 출력전압신호는 아날로그 신호이거나 디지탈신호일 수 있으며, 후자의 경우 전위계는 아날로그-디지탈 변환기의 형태로서 작동한다. 전위계는 매우 낮은 가스압력(예를 들어 1E-7 토르 ∼ 1E-2 토르)을 측정하는데 사용되는 압력변환기와 같은 많은 분야에 사용될 수 있다. 때때로 이러한 압력변환기는 압력을 나타내는 이온전류신호를 발생하기 위한 이온게이지(예를 들어 "핫 캐소우드", "콜드 캐소우드" 또는 "부분압력"형)로 구성된다. 이러한 변환기에 있어서, 이온게이지는 저압기상 환경 내에 수용되어 여기에서 전자를 방출하며, 이들 각 전자는 기체분자에 충돌할 확률을 가지고, 이러한 확률은 기체의 밀도에 관계가 있다. 전자와 기체분자 사이의 충돌시 마다 이온이 발생되며 모든 충돌로부터의 이온이 수집되어 콜렉터 전류로서 출력된다. 이온게이지는 전류소오스를 구성하며 게이지의 콜렉터 전류출력은 방사전류의 함수(즉, 게이지에 의하여 방출된 전자의 수)와 기체밀도의 함수이며 이로서 기체압력을 나타낸다. 콜렉터 전류는 전위계의 압력에 인가되고 이 전위계는 측정된 압력을 나타내는 전압신호를 발생한다. 이러한 압력변환기는 또한 예를 들어 측정된 압력에 응답하여 밸브를 조절하는 제어신호를 발생하기 위한 후처리 구성요소를 포함한다.

도 1은 종래기술의 한 전위계(10)를 보인 구성도이다. 전위계(10)는 두가지 입력신호, 즉 CURRENT-IN 및 SET/RUN 신호를 수신하고 단일출력신호 VOUT을 발생한다. 입력신호 CURRENT-IN은 전류소오스(도시하지 않았음)에 의하여 공급되는 전류신호이며 이온게이지에 의하여 발생된 콜렉터 전류일 수 있다. 입력신호 SET/RUN은 제어신호이며 전위계(10)가 SET/RUN 신호의 상태에 따라 "런" 모우드 또는 "셋트" 모우드로 동작한다. 일부 형태의 제어기(도시하지 않았음)는 전형적으로 입력신호 SET/RUN을 발생한다. 런 모우드에서 동작할 때에 전위계(10)는 출력전압신호 VOUT을 발생하여 VOUT의 값이 입력전류신호 CURRENT-IN의 시간적분을 나타낸다. 전위계(10)는 전위계를 "리셋트"(또는 "클리어" 또는 "초기화") 시키도록 셋트 모우드에서 동작된다.

전위계(10)는 하나의 연산증폭기(12)(반전입력, 비반전입력과 출력을 가짐), 두개의 캐패시터(14)(16)와, 두개의 전자제어형 스위치(18)(20)를 포함한다. 캐패시터(14)와 스위치(18)는 증폭기(12)의 비반전입력과 접지 사이에 병렬로 결합되어 있다. 캐패시터(16)와 스위치(20)는 출력과 증폭기(12)의 반전입력 사이에 병렬로 결합되어 있다. 입력신호 CURRENT-IN은 저항(22)을 통하여 증폭기(12)의 비반전 입력에 전송되고, 입력신호 SET/RUN은 스위치(18)(20)의 제어입력에 전송된다.

작동에 있어서, 제어기(도시하지 않았음)는 스위치(18)(20)의 상태를 제어하기 위하여 입력신호 SET/RUN을 이용한다. 스위치(18)(20)가 폐쇄될 때에 전위계(10)는 셋트 모우드로 동작하고 스위치(18)(20)가 개방될 때에 전위계(10)는 런 모우드로 동작한다. 제어기는 SET/RUN 신호를 하이 논리값(예를 들어 5 볼트)으로 설정하므로서 스위치(18)(20)를 폐쇄하며 SET/RUN 신호를 로우 논리값(예를 들어 접지전위)으로 설정하므로서 스위치(18)(20)를 개방한다.

스위치(18)(20)가 폐쇄되었을 때(즉, 전위계 10가 셋트 모우드로 동작할 때), 스위치(18)는 증폭기(12)의 비반전입력을 접지에 연결하므로서 캐패시터(14)에 충전된 전하를 소거하며, 스위치(20)는 증폭기(12)의 출력을 증폭기(12)의 반전입력에 연결하므로서 캐패시터(16)에 충전된 전하를 소거한다.

스위치(18)(20)가 개방되었을 때(즉, 전위계 10가 런 모우드에서 동작할 때), 증폭기(12)는 잘 알려진 증폭기로서 동작하므로서 출력전압신호 VOUT은 캐패시터(14)(16)의 용량과 입력전류신호 CURRENT-IN의 시간적분에 관련되고 이들의 함수가 된다. 캐패시터(14)(16)의 용량값은 알려져 있고 또한 고정되어 있으므로 입력전류신호 CURRENT-IN은 출력전압신호 VOUT에 비례하고 이를 모니터링 하므로서 결정될 수 있다.

도 2A-C는 전위계(10)의 이상적인 동작을 설명하는 그래프이다. 도 2A는 입력전류신호 CURRENT-IN의 예시파형을 설명하는 전류대 시간의 그래프이다. 이 파형은 제로 암페어에서 시작하고 시간 t₀에서 I₀의 전류값으로 증가하여 전시간에 걸쳐 값 I₀가 유지되는 계단함수이다. 도 2B는 입력제어신호 SET/RUN의 예시파형을 설명하는 전압대 시간의 그래프이다. 도 2C는 결과의 출력전압신호 VOUT을 설명하는 전압대 시간의 그래프이다. 도 2A-C로부터 알 수 있는 바와 같이, 입력신호 SET/RUN이 하이의 논리값으로 설정될 때에 전위계(10)는 셋트 모우드로 동작하고 출력전압신호 VOUT가 접지전위로 설정되며, 입력신호 SET/RUN이 로우의 논리값으로 설정될 때에 전위계(10)는 런 모우드로 동작하고 출력전압신호 VOUT은 입력전류신호 CURRENT-IN의 시간적분의 함수로서 증가한다.

도 1에 도시된 형태의 종래기술의 전위계가 갖는 한가지 문제점은 이들이 입력전류신호가 매우 작을 때에 정확한 기능을 발휘하지 못한다는 점이다. 예를 들어, 전위계(10)에 인가된 입력신호 CURRENT-IN이 1㎀(피코 암페어)의 정도인 경우에 스위치(18)(20)의 누설전류(그리고, 기생용량과 스위치의 저항)가 증폭기(12)의 동작에 현저한 영향을 미치므로 출력신호 VOUT는 입력신호 CURRENT-IN의 신뢰성 있는 지표가 되지 못한다. 유사한 이유로 도 1에서 보인 형태의 종래기술의 전위계는 또한 넓은 다이나믹 레인지에서 정확히 기능을 발휘하지 못한다.

도 1에서 보인 형태인 종래기술의 전위계의 다이나믹 레인지와 신호감응성을 개선하기 위한 여러가지 기술이 제안된 바 있다. 종래기술의 전위계의 한가지 형태는 입력신호의 매우 넓은 다이나믹 레인지에서 신뢰가능하게 동작하도록 입력신호의 레벨에 따라 이득을 선택하기 위한 상이한 이득 및 "이득절환" 기술을 갖는 다중 증폭기를 포함할 수 있는 부동소수점 증폭기로 알려진 것을 이용한다. 이러한 형태의 전위계는 일반적으로 이들이 고가이고 사용수명이 짧은 릴레이를 이용하며 또한 이들이 안정치 못한 비교적 큰 저항을 이용하므로 불리하다. 종래기술의 전위계의 다른 형태는 넓은 다이나믹 레인지에서 동작하는 대수증폭기를 제공토록 P-N 접합의 대수특성을 이용한다. 비록 이러한 형태의 전위계가 넓은 다이나믹 레인지에서 동작하나 일반적으로 이들은 이들이 하나 이상의 증폭기를 이용하고 고가이며 이들이 비교적 낮은 정확성을 갖기 때문에 불리하다.

일반적으로, 이러한 종래기술의 전위계는 여러가지 결점을 갖는다. 이들은 다수의 전기적인 구성요소를 이용하므로 회로가 복잡하고 따라서 제조비용이 많이 소요되며, 또한 이들은 다양한 잡음 소오스에 민감하여 이들의 효용도, 특히 매우 작은 입력신호레벨에 대한 효용도가 떨어진다. 또한 이들은 디지탈 컴퓨터와 같은 디지탈회로에 통상적으로는 인가될 수 없는 아날로그 출력신호를 발생한다. 따라서, 넓은 다이나믹 레인지의 입력신호에 대하여 정확하고 매우 작은 입력레벨신호에서도 신뢰가능하게 동작될 수 있는 저가의 전위계가 제공될 필요가 있다. 또한 디지탈 출력신호를 발생하는 이러한 전위계가 제공될 필요가 있다.

본 발명의 목적은 종래기술의 상기 언급된 문제점을 해소할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래기술 보다 더욱 정확한 것으로 믿어지는 개선되 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 매우 작은 입력전류신호에 대하여 동작되는 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 매우 넓은 다이나믹 레인지의 입력신호에서 신뢰가능하게 동작하는 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 1㎀ ∼ 100㎂ 범위의 입력전류 신호레벨에 대하여 동작되는 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 정밀한 압력변환기를 구성토록 이온게이지와 함께 사용될 수 있는 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 사전에 결정된 한계값을 초과하는 전위계의 출력에 요구된 시간을 측정하므로서 동작되는 개선된 전하율 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전위계의 입력을 보호하는 구성요소를 포함하는 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전위계를 선택적으로 리셋팅시키고 선택적으로 전위계가 런 모우드에서 동작될 수 있도록 하는 리셋트 장치와, 이 리셋트 장치와 전위계의 입력 사이의 누설전류를 제거하기 위한 장치를 포함하는 개선된 전위계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 매우 낮은 레벨의 아날로그 전류를 컴퓨터의 CPU에 의하여 판독가능한 디지탈 정보로 변환시키기 위한 신호변환기를 제공하는데 있다.

이들 목적과 다른 목적들이 적분증폭기와 전자제어형 스위치로 구성되는 개선된 전위계에 의하여 제공된다. 스위치가 폐쇄되어 있을 때에 전위계는 리셋트 되거나 소거되며, 스위치가 개방되어 있을 때에 증폭기가 적분기로서 동작한다. 전위계는 전자제어형 스위치와 적분증폭기의 입력 사이의 누설전류를 제거토록 구성된다. 전자제어형 스위치는 적분증폭기의 입력을 보호하도록 구성된 전계효과 트랜지스터를 이용하여 실현될 수 있다. 본 발명의 한 관점에서, 적분기에 의하여 발생된 출력이 증폭기의 입력에 결합된 전계효과 트랜지스터의 소오스에 인가되며, 등전압의 신호가 이들 트랜지스터의 드레인에 인가된다.

본 발명의 다른 관점에 따라서, 전위계는 이온게이지 압력변환기에 사용될 수 있다. 압력변환기는 전위계, 비교기, 그리고 한계전압을 초과하는 전위계의 출력에 대하여 요구된 시간을 측정하기 위한 타이머를 이용하여 실현될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적들과 잇점들은 본 발명의 최상형태를 단순히 설명을 위하여 보인 여러 실시형태가 도시되고 기술된 다음의 상세한 설명으로부터 당해 기술분야의 전문가에게는 명백하게 될 것이다. 이상의 본 발명은 다른 실시형태로 실시될 수 있으며 세부적으로는 본 발명으로부터 벗어남이 없이 여러 관점에서 수정이 가능할 것이다. 따라서, 도면과 설명은 본 발명 자체의 설명으로 한정되어야 할 것이고 어떠한 제한을 두고자 하는 것은 아니며 본 발명의 범위는 청구범위에서 한정되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 전하율 전위계(100)의 한 우선 실시형태를 보인 것이다. 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 전위계(100)는 매우 작은 입력신호 레벨에 대하여서 정확히 수행하며, 또한 넓은 다이나믹 레인지의 입력신호에 대하여서도 정확히 수행한다. 특히, 이 장치는 최소 1㎀(피코 암페어)와 최대 100㎂(마이크로 암페어)의 입력신호를 수신할 수 있게 되어 있다. 전위계(100)는 1E-10 토르 ∼ 1E-2 토르 범위 내의 압력을 감지하기 위한 압력변환기를 구성하는데 사용될 수 있다. 이러한 전위계(100)의 동작은 핫 캐소우드 이온게이지 압력변환기에 사용되는 것에 관련하여 설명될 것이나, 본 발명의 기술분야에 전문가라면 이러한 응용은 단순히 예시적인 것이며, 이러한 전위계(100)가 다른 형태의 이온게이지 압력변환기에 사용되거나 또는 낮은 레벨의 전류신호를 처리하는데 응용될 수 있음을 이해할 것이다.

전위계(100)는 도 1에서 보인 것과 유사한 적분 증폭기를 구성토록 도시된 바와 같이 구성되는 연산 증폭기(12), 입력 캐패시터(14), 피드백 캐패시터(16)와, 입력 레지스터(22)를 포함한다. 또한 전위계(100)는 4개의 트랜지스터(110-113)(각각 게이트, 소오스 및 드레인을 갖는다)와, 두개의 저항(120)(122)을 포함한다. 시스템 기준전위를 수신하는 입력단자 SET/RUN이 4개의 트랜지스터(110-113)의 게이트에 결합되고, 입력전류단자 CURRENT-IN이 저항(22)을 통하여 증폭기(12)의 비반전입력에 결합된다. 트랜지스터(110)의 드레인은 증폭기(12)의 비반전입력에 결합되고 트랜지스터(111)의 드레인은 접지에 결합된다. 트랜지스터(110)(111)의 소오스는 함께 결합되고, 트랜지스터(120)가 증폭기(12)의 출력과 트랜지스터(110-111)의 소오스 사이에 결합된다. 트랜지스터(112)의 드레인은 증폭기(12)의 번전입력에 결합되고 트랜지스터(113)의 드레인은 증폭기(12)의 출력에 결합된다. 트랜지스터(112)(113)의 소오스는 함께 결합되고 저항(22)이 증폭기(12)의 출력과 트랜지스터(112-113)의 소오스 사이에 결합된다. 이후 상세히 설명되는 이유로 저항(120)(122)은 서로 매칭된다.

제어기(도시하지 않았음)는 전위계(100)를 셋트 모우드에서 동작시키도록 SET/RUN 신호가 논리하이값(예를 들어 5볼트)이 되도록 하여 전위계를 리셋트 시킨다. 셋트 모우드에서, 4개의 모든 트랜지스터(110-113)는 전도상태(또는 "온" 상태 또는 "폐쇄" 상태가 되도록 하므로서 각 트랜지스터는 그 소오스와 드레인 사이에 저임피던스 경로를 제공한다. 따라서, 셋트 모우드에서 트랜지스터(110-111)는 증폭기(12)의 비반전 입력과 접지 사이에 저저항 경로를 제공하므로서 캐패시터(14)에 충전된 전하를 소거한다. 마찬가지로, 셋트 모우드에서, 트랜지스터(112-113)는 증폭기(12)의 반전입력과 출력 사이에 저저항 경로를 제공하여 캐패시터(16)에 충전된 전하를 소거한다.

제어기(도시하지 않았음)는 전위계(100)를 런 모우드에서 동작토록 SET/RUN 신호가 논리 로우값(예를 들어 접지전위)을 갖도록 한다. 런 모우드에서, 모든 4개의 트랜지스터(110-113)는 비전도상태(또는 "오프" 상태 또는 "개방" 상태)가 되어 각 트랜지스터는 그 소오스와 드레인 사이에 고임피던스 경로를 제공하여 증폭기(12)가 적분증폭기로서 동작토록 한다. 종래기술의 전위계와 같지 않게, 전위계(100)는 증폭기(12)의 입력을 "보호" 하도록 구성되어 실질적으로 증폭기(12)의 입력에 대한 누설전류를 감소시키거나 제거시킨다.

런 모우드에서, 4개의 모든 트랜지스터가 비전도 상태에 있으므로 입력전류 신호 CURRENT-IN은 캐패시터(14)의 양단에 전압이 인가되도록 하는 경향을 보이므로서 접지전위로부터 분리된 증폭기(12)의 비반전 입력으로 전압이 인가되도록 한다. 연산 증폭기의 기술분야에 전문가라면 잘 알 수 있는 바와 같이, 증폭기(12)는 그 출력(VOUT)에서 그 비반전 입력의 전압과 동일한 전압을 발생하며, 또한 연산증폭기는 이들 입력 사이의 전위차를 최소화 하려는 경향을 보이므로 이러한 전압이 증폭기(12)의 반전입력에서도 발생된다. 런 모우드로 동작중에 증폭기(12)의 출력, 반전입력 및 비반전입력의 전압은 모두 VOUT과 동일하다. 신호 VOUT이 또한 저항(120)(122)을 통하여 트랜지스터(110-113)의 소오스에 인가되므로 트랜지스터(110)(112-113)의 소오스와 드레인에서 전압레벨은 동일하다. 트랜스터(110)의 소오스와 드레인의 전압이 동일하므로 트랜지스터를 통하여 전류가 흐르지 않아 트랜지스터(110)와 증폭기(12)의 비반전입력 사이를 흐르는 누설전류가 제거된다. 마찬가지로 트랜지스터(112)의 소오스와 드레인의 전압은 동일하므로 트랜지스터(112)와 증폭기(12)의 반전입력 사이에 누설전류가 흐르지 아니한다. 이들 누설전류가 실질적으로 제거되므로 전위계(100)는 입력 전류신호 CURRENT-IN의 값이 매우 적은 경우에도(즉, 1 피코 암페어 정도로 작은 경우에도) 정확히 동작한다. 각 트랜지스터(110-113)가 1 피코 암페어 보다 큰 누설전류를 갖는다 하여도 전위계(100)는 각 트랜지스터가 이러한 누설전류를 실질적으로 감소시킬 수 있도록 바이어스 되어 있으므로 이러한 작은 입력전류 신호레벨에서도 정확히 동작한다.

우선 실시형태에서, 트랜지스터(110-113)는 전계효과 트랜지스터(FETS)로 구성되며 DMOS형 FETS일 수 있고, 캐패시터(14)(16)는 "NPO"형 캐패시터일 수 있다. 한 우선 실시형태에서, 4개의 트랜지스터(110-113)는 단일 SDS 400 집적회로(미국 캘리포니아 산타클라라에 소재하는 SILICONIX 사에서 제조됨)이며, 증폭기(12)는 OPA 128 "can"형 패키지(아리조나 투손에 소재하는 BURR BROWN 사에서 제조됨)를 이용하여 구성되고, 캐패시터(14)(16)는 각각 100㎊ 캐패시터이다. 도 4는 이 실시형태를 상세히 보인 것이다.

다른 실시형태에서, 전위계(100)는 다만 3개의 트랜지스터를 포함하고 트랜지스터(113)는 생략되었다. 이 실시형태에서, 트랜지스터(112)의 드레인은 증폭기(12)의 반전입력에 결합되고 트랜지스터(112)의 소오스는 저항(122)을 통하여 증폭기(12)의 출력에 결합되며, 트랜지스터(112)의 게이트는 입력신호 SET/RUN 단자에 결합된다. 또한 이 실시형태는 트랜지스터(112)의 소오스와 드레인의 전압이 전위계(100)가 런 모우드에서 동작될 때에 모두 VOUT과 동일하므로 트랜지스터(112)와 증폭기(12)의 반전입력 사이에 누설전류가 흐르지 않도록 한다. SD 5400는 4개의 트랜지스터를 포함하므로 이러한 칩을 이용하는 실시형태에서는 4개의 모든 트랜지스터(110-113)를 이용하지 아니한다는 점에서 잇점이 거의 없으나 다른 실시형태에서는 하나의 트랜지스터를 생략할 수 있어 유리하다.

도 5는 전위계(100)와 비교기(152), 그리고 이온게이지(156)의 저전류출력을 컴퓨터의 CPU로 판독가능한 디지탈 정보로 전환하기 위한 펄스폭 컨버터에 전하율 전위계 전류를 제공하기 위한 마이크로 프로세서(154)를 포함하는 압력변환기(150)의 한 우선 실시형태를 보인 것이다. 이온게이지(156)는 게이지에 의하여 측정된 기체밀도를 나타내는 이온 콜렉터 전류신호를 전위계(100)의 입력 전류신호 CURRENT-IN 단자에 공급한다. 전위계(100)의 전압출력 VOUT은 비교기(152)의 부입력에 인가되고 비교기(152)의 정입력은 알려진 사전에 결정된 전위로 설정된 전압신호 THRESHOLD를 수신토록 연결된다. 비교기(152)의 출력은 마이크로 프로세서(154)의 입력에 결합되고 마이크로 프로세서의 출력은 SET/RUN 입력신호를 전위계(100)에 공급한다.

작동에 있어서, 마이크로 프로세서(154)는 초기에 전위계(100)를 리셋트 시키도록, 즉 캐패시터(14)(16)를 소거하도록 SET/RUN 신호를 논리 하이값으로 셋트하고, 시간 t₁에서는 전위계(100)가 런 모우드로 동작토록 SET/RUN 신호를 논리 로우값으로 셋트한다. 초기에 비교기(152)의 부입력의 전압(즉, VOUT의 값)이 정입력의 전압(즉, THRESHOLD의 값) 보다 작으므로 비교기(152)의 출력은 정신호이다. 시간이 지남에 따라서 VOUT의 값은 입력전류신호 CURRENT-IN의 값에 응답하여 증가하고, 실제로 시간 t₂에서 VOUT의 값은 THRESHOLD의 값보다 크게 되며 비교기(152)의 출력은 부신호 상태로 변화한다. VOUT의 값은 CURRENT-IN 입력전류신호의 시간간격에 관련 있으므로 CURRENT-IN 신호의 값은 THRESHOLD 보다 크게 디도록 VOUT에 대하여 요구된 시간을 측정하므로서 계산될 수 있다(즉, t₁과 t₂사이의 시간간격). 마이크로 프로세서(154)는 이 시간을 측정하여 시간 t₁과 t₂사이에서 입력전류신호 CURRENT-IN의 평균값을 나타내는 디지탈 출력신호 OUT을 발생한다. 또한 이러한 전류는 기체압력을 나타내므로 마이크로 프로세서(154)는 신호 OUT을 발생하여 이것이 곧 측정된 압력을 나타내도록 할 수 있다. 한 우선 실시형태에서, 마이크로 프로세서(154)는 다음 등식(1)으로 보인 식에 따른 측정압력을 나타내는 신호 OUT를 발생한다.

OUT = (1)

여기에서, C는 캐패시터(14)의 용량, THRESHOLD는 임계전압, S는 이온게이지(156)의 감도, Ie는 이온게이지(156)의 방출전류를 나타낸다. 잘 알려진 바와 같이, 이온게이지의 감도는 방출전류와 압력(이들의 양은 알려진 기체압력에 대하여 측정됨)의 적의 연수를 콜렉터 전류에 곱하여 계산된다. 변환기(150)의 한 우선 실시형태에서 이온게이지(156)는 감도 S가 9/Torr^-1이다.

한 우선 작동 모우드에서, 마이크로 프로세서(154)는 전위계(100)를 리셋트 하고, 신호 OUT을 여러번 신속히 연속하여 계산하는 기본작동을 반복하고 OUT에 대한 최종 N 계산값의 평균과 동일한 신호 AVE-OUT을 발생한다. 여기에서 N은 5와 같은 정수이다(그러나 다른 정수가 사용될 수 있다). 이 모우드에서, 신호 OUT은 순간 압력 측정값일 수 있으며 신호 AVE-OUT은 순간 압력 측정값의 연속평균이다.

신호 THRESHOLD에 대한 한가지 우선값은 100 ㎷(밀리볼트)이다. VOUT를 CURRENT-IN 신호의 값이 1㎀ 정도일 때에 접지전위로부터 100㎷로 높이는데 약 10초가 걸리므로 매우 작은 입력 전류레벨에 대하여서는 변환기(150)가 10초마다 새로운 측정값을 취하게 된다. CURRENT-IN 신호의 값이 100㎂ 정도일 때에 VOUT이 접지전위로부터 100㎷로 상승되는데 소요되는 시간은 약 100㎱(노나초) 정도에 불과하다. 이와 같이 100㎱의 짧은 시간동안에 마이크로 프로세서(154)가 정확한 시간을 측정하기 어려우므로 변환기(150)는 THRESHOLD 신호의 값을 높은 입력 전류레벨을 측정하기 위한 제 2의 높은 값으로 증가시키는 것이 좋다. THRESHOLD의 제 2 값은 500㎷이며 입력전류가 100㎂일 때에 VOUT을 접지전위로부터 500㎷로 높이는데 약 500㎱가 소요된다. 비록 마이크로 프로세서(154)가 이것이 100㎱ 정도의 시간간격을 측정할 수 있는 것보다 정확히 500㎱ 정도의 시간간격을 측정할 수 있으나 500㎱는 그래도 마이크로 프로세서(154)가 정확히 측정하는데에는 비교적 짧은 시간일 수 밖에 없다. 높은 입력 전류레벨에 대한 변환기(150)의 정확성을 개선하는 한가지 우선 방법은 마이크로 프로세서(154)를 "평균 루우프" 모우드로 실행시키는 것이다. 이러한 모우드에서, 마이크로 프로세서(154)는 연속하여 압력을 측정하여 신호 OUT을 발생하므로 이는 최종 M 측정값의 연속평균이다. M의 한가지 우선 값은 100이며 이 경우에 이러한 작동 모우드를 "백배 루우프" 모우드라 할 수 있으나 M에 대하여서는 물론 다른 값이 사용될 수 있다. 높은 입력 전력레벨에 대하여 회로(150)의 정확성을 개선하는 다른 방법으로서는 THRESHOLD 신호에 대하여서도 높은 값을 사용하는 것이 있다.

우선 작동모우드에서, 마이크로 프로세서(154)는 자동적으로 측정값에 기초한 THRESHOLD에 대한 값을 선택한다. 또한 마이크로 프로세서(154)는 변환기(150)의 정확성을 개선하기 위하여 이온게이지의 방출전류를 제어한다. 한가지 우선 작동 모우드에서, 변환기의 범위의 하단에 가까운 압력(예를 들어 1E-10 토르 ∼ 1E-7 토르)을 측정하기 위하여, 마이크로 프로세서(154)는 방출전류를 높은 값(예를 들어 1㎃)으로 설정하고 THRESHOLD 신호를 낮은 값(예를 들어 100㎷)으로 설정한다. 변환기의 중간범위 가까이의 압력(예를 들어 1E-7 토르 ∼ 1E-4 토르)을 측정하기 위하여 마이크로 프로세서(154)는 방출전류를 낮은 값(예를 들어 100㎂)으로 설정하고 THRESHOLD 신호를 낮은 값(예를 들어 100㎷)으로 유지한다. 변환기의 범위의 상단에 가까운 압력(예를 들어 1E-4 토르 ∼ 1E-2 토르)을 측정하기 위하여 마이크로 프로세서(154)는 방출전류를 낮은 값(예를 들어 100㎂)으로 유지하고 THRESHOLD 신호를 높은 값(예를 들어 500㎷)로 설정한다. 마이크로 프로세서(154)는 측정압력에 기초한 이들 설정값 사이로 자동절환 한다. 또한 마이크로 프로세서(154)는 이들 설정값 사이로 절환할 것인지를 결정토록 히스테리시스를 이용하므로서 변환기는 압력이 어느 주어진 값에서 배회할 때에 변환기가 설정값 사이를 혼돈하지 아니한다. 예를 들어, 마이크로 프로세서(154)는 중간범위의 한 압력에서(예를 들어 1E-6 토르) 높은 방출전류로부터 낮은 방출전류로 절환하고 낮은 압력에서(예를 들어 1E-8 토르) 낮은 방출전류로부터 높은 방출전류로 절환하여 만약 압력이 1E-6 토르의 전후에서 배회하는 경우 변환기는 단 한번에만 설정값을 절환할 것이다.

이와 같이, 개선된 전위계는 매우 작은 입력 전류신호를 측정하기 위하여 제공되고 입력신호의 넓은 다이나믹 레인지에서 작동할 수 있게 되어 있다. 전위계는 이온게이지 압격변환기에 용이하게 사용될 수 있다. 전하율 전위계는 이온게이지 압력변환기에 용이하게 사용될 수 있다. 전하율 전위계는 사전에 결정된 전압한계값을 초과하도록 전위계의 출력에 대하여 요구된 시간을 측정하므로서 작동된다. 트랜지스터(110-113)의 형태인 구성요소는 SET/RUN 입력과 CURRENT-IN 입력을 포함하는 장치의 입력을 보호토록 제공된다. 이와 같이 도 5의 변환기(100)는 낮은 레벨의 전류를 컴퓨터의 CPU로 판독가능한 디지탈 정보로 변환시키는 펄스폭 변환기에 전하율 전위계 전류를 제공한다.

이상의 본 발명은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 어느 정도의 변경이 있을 수 있으며, 상기 상세한 설명이나 도면에 포함된 모든 내용은 본 발명을 설명하기 위한 것이지 어떠한 제한을 가하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 할 것이다.

Claims

제 1 증폭기 입력단자와 증폭기 출력단자를 가지며 제 1 증폭기 입력단자에서 입력전류 신호를 수신하고 증폭기 출력단자에서 입력전류 신호를 나타내는 출력전압신호를 발생하기 위한 증폭수단, 셋트 모우드에서 제 1 증폭기 입력단자와 시스템 기준전위 사이에 낮은 임피던스 경로를 제공토록 작동하며 런 모우드에서 제 1 증폭기 입력단자와 시스템 기준전위 사이에 높은 임피던스 경로를 제공토록 작동하기 위하여 제 1 증폭기 입력단자와 시스템 기준전위 사이에 결합된 제 1 리셋트 수단과, 제 1 리셋트 수단이 누설전류의 원인이 되는 에러를 제거토록 런 모우드에서 작동될 때에 제 1 증폭기 입력단자와 제 1 리셋트 수단 사이의 누설전류를 제거하기 위한 수단으로 구성됨을 특징으로 하는 전위계.
제 1 항에 있어서, 증폭수단이 제 1 증폭기 입력단자와 시스템 기준전위 사이에 결합된 제 1 적분수단을 포함함을 특징으로 하는 전위계.
제 2 항에 있어서, 제 1 적분수단이 캐패시터로 구성됨을 특징으로 하는 전위계.
제 2 항에 있어서, 증폭수단이 제 2 증폭기 입력단자와 제 2 증폭기 입력단자와 증폭기 출력단자 사이에 결합된 제 2 적분수단을 포함하므로서 증폭수단이 적분증폭기로서 작용함을 특징으로 하는 전위계.
제 4 항에 있어서, 제 2 적분수단이 캐패시터로 구성됨을 특징으로 하는 전위계.
제 4 항에 있어서, 제 2 증폭기 입력단자와 증폭기 출력단자 사이에 결합된 제 2 리셋트 수단이 구성되어 있으며, 제 2 리셋트 수단이 셋트 모우드에서 제 2 증폭기 입력단자와 증폭기 출력단자 사이에 낮은 임피던스 경로를 제공하고 런 모우드에서는 제 2 증폭기 입력단자와 증폭기 출력단자 사이에 높은 임피던스 경로를 제공하도록 작동됨을 특징으로 하는 전위계.
제 6 항에 있어서, 제 2 리셋트수단이 누설전류의 원인이 되는 에러를 제거토록 런 모우드에서 작동될 때에 제 2 증폭기 입력단자와 제 2 리셋트 수단 사이의 누설전류를 제거하기 위한 수단이 구성되어 있음을 특징으로 하는 전위계.
제 7 항에 있어서, 증폭수단이 제 2 증폭기 입력단자에 결합된 반전입력단자, 제 1 증폭기 입력단자에 결합된 비반전 입력단자와, 증폭기 출력단자에 결합된 연산 출력단자를 갖는 연산 증폭기를 포함함을 특징으로 하는 전위계.
제 7 항에 있어서, 제 1 및 제 2 리셋트 수단이 제어신호에 응답하여 작동하고, 제 1 및 제 2 리셋트 수단이 제어신호가 제 1 상태에 있을 때에 셋트 모우드로 작동하며, 제 1 및 제 2 리셋트 수단이 제어신호가 제 2 상태에 런 모우드로 작동함을 특징으로 하는 전위계.
제 9 항에 있어서, 제 1 리셋트 수단이 각각 게이트, 소오스 및 드레인을 갖는 제 1 트랜지스터와 제 2 트랜지스터로 구성되고, 제 1 및 제 2 트랜지스터의 게이트는 제어신호에 결합되며, 제 1 트랜지스터의 드레인은 제 1 증폭기 입력단자에 결합되고, 제 2 트랜지스터의 드레인은 시스템 기준전위에 결합되며, 제 1 트랜지스터의 소오스가 제 2 트랜지스터의 소오스와 증폭기 출력단자에 결합됨을 특징으로 하는 전위계.
제 10 항에 있어서, 증폭기 출력단자와 제 1 및 제 2 트랜지스터의 소오스 사이에 결합된 저항이 구성되어 있음을 특징으로 하는 전위계.
제 10 항에 있어서, 제 1 및 제 2 트랜지스터가 전계효과 트랜지스터임을 특징으로 하는 전위계.
제 10 항에 있어서, 제 2 리셋트 수단이 게이트, 드레인 및 소오스를 갖는 제 3 트랜지스터로 구성되고, 제 3 트랜지스터의 게이트가 제어신호에 결합되며, 제 3 트랜지스터의 드레인이 제 2 증폭기 입력단자에 결합되고, 제 3 트랜지스터의 소오스가 증폭기 출력단자에 결합됨을 특징으로 하는 전위계.
제 13 항에 있어서, 제 2 리셋트 수단이 게이트, 드레인 및 소오스를 갖는 제 4 트랜지스터로 구성되고, 제 4 트랜지스터의 게이트가 제어신호에 결합되며, 제 4 트랜지스터의 드레인이 제 2 증폭기 출력단자에 결합되고, 제 4 트랜지스터의 소오스가 제 3 트랜지스터의 소오스에 결합됨을 특징으로 하는 전위계.
제 14 항에 있어서, 증폭기 출력단자와 제 3 및 제 4 트랜지스터의 소오스 사이에 결합된 저항이 구성되어 있음을 특징으로 하는 전위계.
제 14 항에 있어서, 제 3 및 제 4 트랜지스터가 전계효과 트랜지스터임을 특징으로 하는 전위계.
증폭기 입력단자와 증폭기 출력단자를 가지고 증폭기 입력단자에 입력전류 신호를 수신하며 증폭기 출력단자에서 입력 전류신호의 적분을 나타내는 출력 전압신호를 발생하기 위한 적분증폭기 수단, 증폭기 입력단자와 시스템 기준 전위 사이에 결합되어 셋트 모우드에서 증폭기 입력단자와 시스템 기준 전위 사이에 낮은 임피던스 경로를 제공하고 런 모우드에서 증폭기 입력단자와 시스템 기준 전위 사이에 높은 임피던스 경로를 제공토록 작동하는 리셋트 수단과, 리셋트 수단이 누설전류의 원인이 되는 에러를 제거토록 런 모우드에서 작동될 때에 증폭기 입력단자와리셋트 수단 사이의 누설전류를 제거하기 위한 수단을 포함하는 전위계와, 런 모우드 또는 셋트 모우드에서 작동토록 리셋트 수단을 선택적으로 제어하고 제어수단이 런 모우드에서 작동토록 리셋트 수단을 제어할 때의 제 1 시간과 출력 전압신호가 사전에 결정된 한계전압 보다 크게 될 때의 제 2 시간 사이의 입력 전류신호를 나타내는 시간간격을 측정하기 위한 제어수단으로 구성됨을 특징으로 하는 변환기.
제 17 항에 있어서, 제어수단이 제 1 비교기 입력과 제 2 비교기 입력을 갖는 비교기를 포함하고, 비교기가 제 1 비교기 입력의 신호가 제 2 비교기 입력의 신호보다 큰 것인가의 여부를 나타내는 출력신호를 발생하며, 제 1 비교기 입력이 증폭기 출력단자에 결합되고 제 2 비교기 입력이 사전에 결정된 한계전압에 결합됨을 특징으로 하는 변환기.
제 18 항에 있어서, 제어수단이 비교기에 발생된 출력신호를 수신하고 이에 응답하여 입력 전류신호를 나타내는 디지탈 출력신호를 발생하기 위한 프로세서 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 19 항에 있어서, 제어수단이 연속하여 적어도 N번(여기에서 N은 정수이다) 시간간격을 측정하고 각 N의 측정값에 대하여 입력전류신호를 나타내는 신호를 발생하며 입력전류신호의 평균 N의 측정값을 나타내는 출력신호를 발생하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는 변환기.
제 20 항에 있어서, N이 5임을 특징으로 하는 변환기.
제 20 항에 있어서, N이 100임을 특징으로 하는 변환기.
제 17 항에 있어서, 입력전류신호를 발생하기 위하여 증폭기 입력단자에 결합된 이온게이지를 포함함을 특징으로 하는 변환기.