RU2797496C2 - Amplifier device for amplification of small currents - Google Patents
Amplifier device for amplification of small currents Download PDFInfo
- Publication number
- RU2797496C2 RU2797496C2 RU2021128557A RU2021128557A RU2797496C2 RU 2797496 C2 RU2797496 C2 RU 2797496C2 RU 2021128557 A RU2021128557 A RU 2021128557A RU 2021128557 A RU2021128557 A RU 2021128557A RU 2797496 C2 RU2797496 C2 RU 2797496C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- amplifier
- amplifying device
- input
- current
- paragraphs
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к устройству и способу для усиления малых токов.The invention relates to a device and method for amplifying small currents.
Во многих измерительных устройствах, например, в масс-спектрометрах или вакуумных измерительных устройствах, создание значения измерения осуществляется на основе токов, которые создаются положительно или отрицательно заряженными, падающими на электрод частицами. Динамический диапазон возникающих и измеряемых величин ионного и электронного тока очень велик. Он достигает часто от нескольких сотен аттоампер до нескольких микроампер и перекрывает таким образом несколько декад.In many measuring devices, such as mass spectrometers or vacuum measuring devices, the creation of a measurement value is based on currents that are generated by positively or negatively charged particles falling on an electrode. The dynamic range of the generated and measured values of the ion and electron current is very large. It often reaches from several hundred attoamperes to several microamperes and thus covers several decades.
В частности малые токи в вакуумных измерительных устройствах должны измеряться в нижнем диапазоне давления и при течеискателях. При этом часто используются масс-спектрометры. При очень малых токах ниже 10 фА возникают в схеме усилителя, который одновременно может также измерять большие токи, затруднения при переключении, если необходимо переключение диапазона с измерения малых токов на измерение больших токов. Усилители тока, которые используют резистор, должны содержать для очень малых токов высокоомный резистор, так как токовый шум сопротивления уменьшается с увеличением значений. Однако при токах, бóльших, например, чем 10 пА, высокоомный резистор не может использоваться, так как падение напряжения на резисторе становится слишком большим. В случае конденсаторов в качестве эталонного компонента возникают аналогичные затруднения, как и в случае резисторов. У усилителей согласно уровню техники используются полупроводниковые переключатели или же реле для переключения резисторов или путей тока, для того чтобы делать возможным переключение с рабочего состояния для измерения малых токов на рабочее состояние для измерения больших токов. Во всех случаях для этого необходимы дополнительные компоненты, которые подключаются к чувствительному входному узлу, на котором должны протекать и измеряться самые малые токи.In particular, small currents in vacuum measuring devices must be measured in the lower pressure range and with leak detectors. In this case, mass spectrometers are often used. At very low currents below 10 fA, an amplifier circuit that can also measure high currents at the same time experiences difficulties in switching if it is necessary to switch the range from measuring low currents to measuring high currents. Current amplifiers that use a resistor should include a high ohm resistor for very small currents, as the current noise of the resistance decreases with increasing values. However, at currents greater than, for example, 10 pA, a high-resistance resistor cannot be used because the voltage drop across the resistor becomes too large. In the case of capacitors as a reference component, similar difficulties arise as in the case of resistors. Prior art amplifiers use solid-state switches or relays to switch resistors or current paths to enable switching from an operating state for measuring low currents to an operating state for measuring high currents. In all cases, this requires additional components that are connected to a sensitive input node, at which the smallest currents must flow and be measured.
Для измерения подобных потоков частиц используются измерительные устройства, которые из потока частиц, то есть ионного тока или электронного тока, создают измеряемый потенциал измерения. Измерительное устройство имеет для этого, как правило, усилитель тока, обычно с операционным усилителем. При помощи электрического измерительного резистора, который расположен, например, на пути обратной связи операционного усилителя, создается из усиленного тока измеряемый электрический потенциал.To measure such particle flows, measuring devices are used which generate a measurable measurement potential from the particle flow, ie ion current or electron current. For this, the measuring device usually has a current amplifier, usually with an operational amplifier. By means of an electrical measuring resistor, which is located, for example, in the feedback path of the operational amplifier, a measurable electrical potential is generated from the amplified current.
Для того чтобы при помощи одной и той же измерительной схемы охватывать весь динамический диапазон имеющих место потоков частиц, как у обычных, так и у соответствующего изобретению усилителя предусмотрено, что переключение осуществляется между чувствительным режимом для измерения малых токов менее 100 пА (например, 1 пА) и режимом для измерения больших токов, составляющих, по меньшей мере, 1 пА (например, 100 пА). У обычных усилителей тока переключение осуществляется при помощи реле, например, у масс-спектрометров с секторным полем. У основанных на резисторе усилителей тока, которые охватывают большой диапазон тока, от переключения диапазонов нельзя отказываться, так как при малых токах только высокоомные резисторы принимаются в расчет, а при больших токах только низкоомные компоненты могут переносить больший ток. При малых токах шум сопротивления ограничивает область применения.In order to cover the entire dynamic range of the particle flows that occur with the same measurement circuit, it is provided for both conventional and inventive amplifiers that switching takes place between the sensitive mode for measuring low currents of less than 100 pA (e.g. 1 pA ) and a mode for measuring high currents of at least 1 pA (for example, 100 pA). For conventional current amplifiers, switching is carried out using a relay, for example, for mass spectrometers with a sector field. With resistor-based current amplifiers that cover a large current range, range switching cannot be dispensed with, since at low currents only high-resistance resistors are taken into account, and at high currents only low-resistance components can carry more current. At low currents, resistance noise limits the scope.
В EP 0 615 669 B1 описывается усилитель, у которого токовый сигнал передается при помощи диодов.EP 0 615 669 B1 describes an amplifier in which the current signal is transmitted by means of diodes.
В основе изобретения лежит задача создать усилительное устройство для усиления малых токов, при помощи которого улучшается переключение для усиления больших токов, а также предоставить соответствующий способ.The object of the invention is to provide an amplifying device for amplifying small currents, with which switching is improved for amplifying high currents, and to provide a corresponding method.
Соответствующее изобретению усилительное устройство раскрыто в независимом пункте 1 формулы изобретения.An amplifying device according to the invention is disclosed in
Согласно изобретению, усилительное устройство имеет первый путь (цепь, линию) тока для усиления малых токов. Первый путь тока содержит входное усилительное устройство, по меньшей мере, с одним первым усилителем, по меньшей мере, с одним защитным элементом, например, защитным диодом, а также с элементом обратной связи на пути обратной связи, соединяющем выход входного усилительного устройства с инвертирующим входом. Для измерения больших токов предусмотрен и выполнен второй путь тока, выполненный, по меньшей мере, частично отличным от первого пути тока. По меньшей мере, один из защитных элементов первого усилителя содержится на втором пути тока.According to the invention, the amplifying device has a first current path (circuit, line) for amplifying small currents. The first current path contains an input amplifying device with at least one first amplifier, with at least one protective element, for example, a protective diode, and also with a feedback element on the feedback path connecting the output of the input amplifying device to the inverting input . To measure high currents, a second current path is provided and made at least partially different from the first current path. At least one of the protective elements of the first amplifier is contained in the second current path.
Таким образом, согласно изобретению предоставляется усилительное устройство, на входе которого не требуются для измерения больших токов дополнительные компоненты, чем те, которые предусмотрены для режима измерения самых малых токов, а именно токовый вход, измерительный резистор в виде элемента обратной связи и входное усилительное устройство, по меньшей мере, с первым усилителем. Обычно используемые входные усилители уже имеют во входной области защитные элементы, например, защитные диоды, которые необходимы в интегральной схеме для защиты входных контуров. Эти защитные элементы используются согласно изобретению для переключения областей. Тем самым наиболее чувствительная область для измерения самых малых токов схемы настолько устойчива, как если бы отсутствовали дальнейшие области для измерения других величин тока. При смене области с чувствительной области на область для измерения больших токов входной ток протекает через один или несколько из защитных элементов, вследствие чего входная область становится низкоомной также для существенно бóльших входных токов. Так как в интегральной схеме переключения первого усилителя должны присутствовать защитные элементы, не каждый модуль усилителя может использоваться. Могут использоваться как модули усилителя, которые имеют защитные элементы для питающих напряжений, так и модули усилителя, которые имеют защитные элементы между входными линиями.Thus, according to the invention, an amplifying device is provided, at the input of which no additional components are required for measuring high currents than those provided for the measurement of the smallest currents, namely a current input, a measuring resistor in the form of a feedback element and an input amplifying device, at least with the first amplifier. Commonly used input amplifiers already have protective elements in the input region, such as protective diodes, which are needed in the integrated circuit to protect the input circuits. These security elements are used according to the invention for area switching. Thus, the most sensitive area for measuring the smallest circuit currents is as stable as if there were no further areas for measuring other current values. When changing the area from the sensitive area to the area for measuring high currents, the input current flows through one or more of the protective elements, as a result of which the input area becomes low-resistance also for significantly higher input currents. Since there must be protective elements in the first amplifier switching IC, not every amplifier module can be used. Both amplifier modules that have protective elements for supply voltages and amplifier modules that have protective elements between input lines can be used.
Входное усилительное устройство может иметь n количество усилителей с n≥1. В простейшем случае n=1 входное усилительное устройство содержит только первый усилитель. В случае n≥2 входное усилительное устройство может быть выполнено, по меньшей мере, из двух усилителей, которые образуют комбинацию усилителей.The input amplifying device may have n number of amplifiers with n≥1. In the simplest case n=1, the input amplifying device contains only the first amplifier. In the case of n≥2, the input amplifying device may be made of at least two amplifiers that form a combination of amplifiers.
Входное усилительное устройство имеет инвертирующий вход и выход. Выход соединен путем обратной связи с инвертирующим входом входного усилительного устройства. На пути обратной связи содержится элемент обратной связи.The input amplifying device has an inverting input and output. The output is connected by feedback to the inverting input of the input amplifying device. The feedback path contains a feedback element.
Говоря об усилителях, речь может идти об операционных усилителях, и/или, говоря о защитных элементах, речь может идти о защитных диодах.When talking about amplifiers, we can talk about operational amplifiers, and/or when talking about protective elements, we can talk about protection diodes.
Далее примеры осуществления изобретения разъясняются более подробно на основе чертежей, на которых показано:Further, embodiments of the invention are explained in more detail on the basis of the drawings, which show:
фиг. 1 - пример осуществления в первом рабочем состоянии;fig. 1 shows an exemplary embodiment in a first operating state;
фиг. 2 - фрагмент с фиг. 1;fig. 2 is a fragment from FIG. 1;
фиг. 3 - пример осуществления во втором рабочем состоянии; иfig. 3 shows an exemplary embodiment in a second operating state; And
фиг. 4 - фрагмент с фиг. 1 или фиг. 3 согласно второму примеру осуществления.fig. 4 is a fragment from FIG. 1 or fig. 3 according to the second embodiment.
Усилительное устройство изображенного примера осуществления имеет первый операционный усилитель 1, который имеет инвертирующий вход 30, неинвертирующий вход 31, выход 34, положительный питающий контакт 32 и отрицательный питающий контакт 33.The amplifying device of the illustrated embodiment has a first
Операционный усилитель содержит защитные элементы 18, 19, 20, 21 в данном случае диоды, которые по типу схемы мостового выпрямителя расположены между инвертирующим входом 30 и неинвертирующим входом 31, а также обоими питающими контактами 32, 33 и соединяют их друг с другом. Диоды 18, 19, 20, 21 расположены при этом таким образом, что они от отрицательного питающего контакта 33 в направлении к положительному питающему контакту 32 проводят ток, а в противоположном направлении блокируют.The operational amplifier contains
Под выражением “по типу схемы мостового выпрямителя” подразумевается, что плечо моста содержит оба входа 30, 31 операционного усилителя 1. В основе этого лежит та идея, что у идеального операционного усилителя напряжение между двумя входами 30, 31 не падает. Один конец плеча моста соединен при этом с инвертирующим входом 30, а другой конец с неинвертирующим входом 31. Возникающее между обоими входами разностное напряжение, которое у идеального операционного усилителя равно нулю, является таким образом частью плеча моста.By "bridge rectifier type" is meant that the bridge arm contains both
Выход 34 первого операционного усилителя 1 соединен с неинвертирующим входом 35 второго операционного усилителя 3, выход которого соединен путем 41 обратной связи с инвертирующим входом 30 первого операционного усилителя 1. Путь 41 обратной связи содержит два резистора 2, 4, между которыми путь 41 обратной связи соединен при помощи третьего переключателя 12 с входом 22, на котором прилегает напряжение прямого напряжения диода примерно в 0,5 вольт.The
Выход 16 второго операционного усилителя 3 соединен далее регулирующими элементами 5 с массой. Регулирующие элементы 5 состоят из резистора 5a, конденсатора 5b и дополнительного резистора 5c. Между конденсатором 5b и дополнительным резистором 5c электрически подключен инвертирующий вход 36 второго операционного усилителя 3 для его обратной связи.The
Выход 34 первого операционного усилителя 1 соединен через первый резистор 6a с положительным питающим контактом 32 первого операционного усилителя 1, а через второй резистор 6b с отрицательным питающим контактом 33. Отрицательный питающий контакт 33 может при помощи первого переключателя 10 поочередно соединяться с прилегающим на источнике 14 напряжения питающим напряжением в -5 вольт или с массой.The
Положительный питающий контакт 32 первого операционного усилителя 1 электрически соединен с инвертирующим входом 38 третьего операционного усилителя 7, выход 17 которого имеет обратную связь через резистор 8. Резистор 8 при этом шунтирован диодом 9, который в направлении от выхода 17 третьего операционного усилителя 7 к положительному питающему контакту 32 первого операционного усилителя 1 проводит ток, а в противоположном направлении блокирует.The
Первый усилитель 1 и второй усилитель 3 образуют входное усилительное устройство 50, причем оба усилителя 1, 3 образуют комбинацию усилителей. Путь 41 обратной связи соединяет выход входного усилительного устройства 50 с его инвертирующим входом 30.The
Неинвертирующий выход 37 третьего операционного усилителя 7 может при помощи второго электрического переключателя 11 на выбор соединяться с источником 15 напряжения, в данном случае 5 вольт, или с массой.The
В изображенном примере осуществления соответствующего изобретению усилительного устройства используется в качестве входного усилителя первый операционный усилитель 1, защитные элементы 18, 19, 20, 21 которого предусмотрены в виде входных защитных диодов для питающего напряжения. Если усилительное устройство эксплуатируется для измерения малых токов, например менее 100 пА, в наиболее чувствительной области, входной токовый сигнал попадает через выход 13 на первый операционный усилитель 1. Первый операционный усилитель 1 получает отрицательное питающее напряжение из источника 14 напряжения при помощи первого переключателя 10 в изображенном на фиг. 1 положении переключения. Положительное питающее напряжение операционный усилитель 1 получает из источника 15 напряжения, в данном случае на уровне +5 вольт, при помощи второго переключателя 11 в изображенном на фиг. 1 положении переключения на неинвертирующем входе 37 третьего операционного усилителя 7.In the illustrated embodiment of the amplifying device according to the invention, a first
Выходное напряжение на выходе 17 третьего операционного усилителя 7 регулируется на повышенное на прямое напряжение диода 9 значение. Вследствие этого напряжение, которое попадает на первый операционный усилитель 1, становится настолько большим, как напряжение на неинвертирующем входе 37 третьего операционного усилителя 7.The output voltage at the
Усилитель 7 не является частью входного усилительного устройства 50. Усилитель 7 служит для приема больших токов на входе 13 входного усилительного устройства 50. Выходной ток протекает через диод 18 через усилитель 1 непосредственно к входу 38 усилителя 7. Меньшие же токи на входе 13 сначала усиливаются входным усилительным устройством 50.
Третий электрический переключатель 12 разомкнут в этом изображенном на фиг. 1 рабочем состоянии для измерения малых токов. Резисторы 4, 2 обратной связи составляют вместе элемент обратной связи, в данном случае в виде электрического резистора.The third
Вход 13 на инвертирующем входе 30 первого операционного усилителя 1 представляет собой в этом случае виртуальную нулевую точку, вследствие чего к входу 13 не прилегает существенное напряжение.The
К выходу 16 второго операционного усилителя 3 прилегает пропорциональное входному току первого операционного усилителя 1 инвертированное напряжение. Защитные диоды 18, 19, 20, 21 входного усилителя эксплуатируются теперь в каждом случае в обратном направлении и таким образом не проводят существенный ток.To the
Входное усилительное устройство 50 из первого операционного усилителя 1 и второго операционного усилителя 3 образует регулирующий контур. Размеры регулирующих элементов 5 должны рассчитываться в зависимости от граничной частоты (частоты среза) использованных элементов 5a, 5b, 5c, чтобы контур оставался устойчивым, например 120 кОм на электрическом резисторе 5a, 1 нФ на конденсаторе 5b и 10 кОм на электрическом резисторе 5c.The
Фиг. 1 показывает усилительное устройство в общем, в то время как фиг. 2 детально показывает первый операционный усилитель 1 и расположенные в нем защитные элементы 18, 19, 20, 21 и их электрическое соединение с контактами первого операционного усилителя 1.Fig. 1 shows the amplifying device in general, while FIG. 2 shows in detail the first
Фиг. 3 показывает усилительное устройство в рабочем состоянии для измерения больших токов при помощи второго пути тока. Для этого усилительное устройство эксплуатируется в расширенном диапазоне тока, в котором первый электрический переключатель 10 переключается на потенциал массы. Тем самым к отрицательному питающему контакту 33 входного усилителя прилегает напряжение примерно в 0 вольт. Входные защитные элементы 20, 21 по-прежнему блокируют.Fig. 3 shows an amplifying device in operation for measuring high currents using a second current path. To this end, the amplifying device is operated in an extended current range, in which the first
Второй переключатель 11 также переключается на потенциал массы. Так как третий операционный усилитель 7 регулируется при помощи своего резистора 8 обратной связи таким образом, что существенное разностное напряжением между инвертирующим входом 38 и неинвертирующим входом 37 третьего операционного усилителя 7 отсутствует, также положительное питание первого операционного усилителя 1 на положительном питающем контакте 32 становится близко к 0 вольт. Если теперь входной ток поступает на входной контакт 13, он протекает через защитный диод 18 к положительному питающему контакту 32.The
Третий электрический переключатель 12 замкнут в этом рабочем состоянии, так что прилегающее к клемме 22 напряжение, в данном случае 0,5 вольт, прилегает к резистору 2 обратной связи в соответствии с прямым напряжением защитного диода 18, чтобы через резистор 2 обратной связи протекал минимальный ток.The third
Второй путь тока для больших токов на входе 13 ведет теперь таким образом через защитный диод 18 к резистору 8 обратной связи третьего операционного усилителя 7. Через резистор 8 обратной связи прилегает пропорциональное входному току инвертированное напряжение, которое может сниматься на выходе 17 третьего операционного усилителя 7. Диод 9 блокирует в этом случае. Второй путь тока для измерения больших токов ведет в этом случае от инвертирующего входа 30 первого операционного усилителя 1 через защитный диод 18 защитных диодов 18, 19, 20, 21 к положительному питающему контакту 32 первого операционного усилителя 1 и оттуда через резистор 8 обратной связи третьего операционного усилителя 7 к его выходному контакту 17.The second current path for high currents at
В описанной электрической схеме входное напряжение 13 при эксплуатации на пути тока для больших токов повышается на прямое напряжение защитного элемента 18. Для предотвращения этого свойства точки массы на переключателях 10 и 11 могут понижаться на прямое напряжение защитного элемента 18. Элемент 2 обратной связи обесточивается в этом случае, если на входе прикладываются 220 вольт.In the electrical circuit described, the
Дальнейшее улучшение второго пути тока возникает, если диод 9 разделяется согласно фиг. 4. Если второй путь тока был активирован, к выходу 17 приложено отрицательное напряжение. Обратный ток диода искажает измерение. Если схема дополняется согласно фиг. 4, отрицательное напряжение падает на диоде 9b. К диоду 9a прикладывается в этом случае с обеих сторон примерно 0 вольт, вследствие чего обратный ток существенно уменьшается.A further improvement in the second current path occurs if the
Здесь была описана схема для положительных входных токов. Принципиально возможен вариант схемы для отрицательного или также для обоих направлений тока.The circuit for positive input currents has been described here. In principle, a circuit variant for negative or also for both current directions is possible.
Claims (29)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102019108192.0 | 2019-03-29 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021128557A RU2021128557A (en) | 2023-05-02 |
RU2797496C2 true RU2797496C2 (en) | 2023-06-06 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1732427A1 (en) * | 1990-03-22 | 1992-05-07 | Московский институт электронной техники | Operational amplifier |
EP0615669A1 (en) * | 1991-12-05 | 1994-09-21 | Balzers und Leybold Deutschland Holding Aktiengesellschaft | Process and circuit for measuring particle fluxes |
WO1995005027A1 (en) * | 1993-08-10 | 1995-02-16 | Fujitsu Limited | Low-current amplifier |
RU2099856C1 (en) * | 1994-12-09 | 1997-12-20 | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Amplifier stage |
CN203660994U (en) * | 2013-12-31 | 2014-06-18 | 四川红华实业有限公司 | Micro-current amplifier |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1732427A1 (en) * | 1990-03-22 | 1992-05-07 | Московский институт электронной техники | Operational amplifier |
EP0615669A1 (en) * | 1991-12-05 | 1994-09-21 | Balzers und Leybold Deutschland Holding Aktiengesellschaft | Process and circuit for measuring particle fluxes |
WO1995005027A1 (en) * | 1993-08-10 | 1995-02-16 | Fujitsu Limited | Low-current amplifier |
RU2099856C1 (en) * | 1994-12-09 | 1997-12-20 | Московский государственный институт электронной техники (технический университет) | Amplifier stage |
CN203660994U (en) * | 2013-12-31 | 2014-06-18 | 四川红华实业有限公司 | Micro-current amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPS62247268A (en) | Current detection circuit | |
KR101217004B1 (en) | ion balance sensor | |
JP2017045736A5 (en) | ||
US6751079B2 (en) | Circuit for the detection of short voltage glitches in a supply voltage | |
US20180342862A1 (en) | Self-tripping explosive fuse | |
JPH01227520A (en) | Power semiconductor device | |
RU2797496C2 (en) | Amplifier device for amplification of small currents | |
TW201640126A (en) | Current detection circuit | |
JP2735394B2 (en) | Temperature compensated overload trip level semiconductor relay | |
JP2008145264A (en) | Radiation measuring apparatus | |
CN113614548B (en) | Amplifier device for amplifying small currents | |
US20180017445A1 (en) | Device for operating passive infrared sensors | |
KR102485879B1 (en) | Leakage Current Detector | |
JP2007040771A (en) | Semiconductor device for noise measurement | |
CN103518140B (en) | For measuring the system of electric charge | |
US6825717B2 (en) | Feedback network and amplifier and/or converter circuit with a feedback network | |
KR100428856B1 (en) | Circuit to measure resistance and leakage | |
JP2019144004A (en) | Semiconductor device | |
JP5829745B1 (en) | Radiation measurement equipment | |
US6300616B1 (en) | Detector circuit with a stationary potential amplifier input | |
US5969809A (en) | Light-measuring device for accurate and continuous measurement of light intensity | |
JPS62100667A (en) | Comparator circuit | |
JP7103989B2 (en) | Battery current detection circuit | |
US20220376660A1 (en) | Electrical circuit | |
RU2021128557A (en) | AMPLIFIER DEVICE FOR AMPLIFICATION OF SMALL CURRENTS |