RU2797496C2

RU2797496C2 - Amplifier device for amplification of small currents

Info

Publication number: RU2797496C2
Application number: RU2021128557A
Authority: RU
Inventors: Норберт РОЛЬФФ
Original assignee: Инфикон Гмбх
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2023-06-06

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: invention is proposed to amplify small currents. The essence of the invention lies in the fact that the amplifying device includes the first current path for measuring small currents less than 100 pA, and on the first current path there is an input amplifying device, including at least one first amplifier, an output that inverts the input, the first path feedback connecting the output to the inverting input, and a feedback element contained in the feedback path, the first amplifier having at least one protective element, the second current path for measuring high currents with a maximum current of at least 10 times the current received in the first current path, wherein at least one of the protective elements of the amplifier is part of the second current path.

EFFECT: providing the possibility of creating an amplifying device for amplifying small currents, with the help of which switching is improved for amplifying high currents.

16 cl 1 cl, 4 dwg

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 independent claim 1 of the claims.

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 operational amplifier 1 which has an inverting input 30, a non-inverting input 31, an output 34, a positive supply terminal 32, and a negative supply terminal 33.

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 protective elements 18, 19, 20, 21 in this case, diodes, which, like a bridge rectifier circuit, are located between the inverting input 30 and the non-inverting input 31, as well as both supply contacts 32, 33 and connect them to each other. The diodes 18, 19, 20, 21 are arranged in such a way that they conduct current from the negative supply contact 33 towards the positive supply contact 32 and block in the opposite direction.

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 inputs 30, 31 of op amp 1. This is based on the idea that the ideal op amp has no voltage drop between the two inputs 30, 31. In this case, one end of the bridge arm is connected to the inverting input 30 and the other end to the non-inverting input 31. The difference voltage that occurs between the two inputs, which is zero for an ideal operational amplifier, is thus part of the bridge arm.

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 output 34 of the first operational amplifier 1 is connected to the non-inverting input 35 of the second operational amplifier 3, the output of which is connected via 41 feedback to the inverting input 30 of the first operational amplifier 1. The feedback path 41 contains two resistors 2, 4, between which the feedback path 41 is connected using the third switch 12 with input 22, on which the forward voltage of the diode is approximately 0.5 volts.

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 output 16 of the second operational amplifier 3 is further connected by control elements 5 to ground. The control elements 5 consist of a resistor 5a, a capacitor 5b and an additional resistor 5c. An inverting input 36 of the second operational amplifier 3 is electrically connected between the capacitor 5b and the additional resistor 5c for its feedback.

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 output 34 of the first operational amplifier 1 is connected through the first resistor 6a with the positive supply terminal 32 of the first operational amplifier 1, and through the second resistor 6b with the negative supply terminal 33. supply voltage of -5 volts or with ground.

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 positive supply contact 32 of the first operational amplifier 1 is electrically connected to the inverting input 38 of the third operational amplifier 7, the output 17 of which has feedback through the resistor 8. The resistor 8 is shunted by a diode 9, which in the direction from the output 17 of the third operational amplifier 7 to the positive supply contact 32 of the first operational amplifier 1 conducts current, and blocks in the opposite direction.

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 first amplifier 1 and the second amplifier 3 form an input amplifying device 50, with both amplifiers 1, 3 forming an amplifier combination. A feedback path 41 connects the output of the input amplifying device 50 to its inverting input 30.

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 non-inverting output 37 of the third operational amplifier 7 can optionally be connected by means of a second electrical switch 11 to a voltage source 15, in this case 5 volts, or to ground.

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 operational amplifier 1 is used as input amplifier, the protective elements 18, 19, 20, 21 of which are provided in the form of input protective diodes for the supply voltage. If the amplifying device is used to measure low currents, for example less than 100 pA, in the most sensitive area, the input current signal passes through the output 13 to the first operational amplifier 1. The first operational amplifier 1 receives a negative supply voltage from the voltage source 14 using the first switch 10 V shown in FIG. 1 switching position. The operational amplifier 1 receives a positive supply voltage from a voltage source 15, in this case at a level of +5 volts, by means of a second switch 11 in the circuit shown in FIG. 1 switching position on the non-inverting input 37 of the third operational amplifier 7.

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 output 17 of the third operational amplifier 7 is adjusted to a value increased by the forward voltage of the diode 9. As a result, the voltage that enters the first operational amplifier 1 becomes as large as the voltage at the non-inverting input 37 of the third operational amplifier 7.

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.Amplifier 7 is not part of input amplifying device 50. Amplifier 7 serves to receive high currents at input 13 of input amplifying device 50. The output current flows through diode 18 through amplifier 1 directly to input 38 of amplifier 7. Smaller currents at input 13 are first amplified by the input amplifying device 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 electrical switch 12 is open in this FIG. 1 working condition for measuring small currents. The feedback resistors 4, 2 together constitute a feedback element, in this case in the form of an electrical resistor.

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 input 13 at the inverting input 30 of the first operational amplifier 1 is in this case a virtual zero point, so that no significant voltage is applied to the input 13.

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 output 16 of the second operational amplifier 3 adjacent proportional to the input current of the first operational amplifier 1 inverted voltage. The protective diodes 18, 19, 20, 21 of the input amplifier are now operated in the opposite direction in each case and thus do not conduct a significant current.

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 input amplifying device 50 of the first operational amplifier 1 and the second operational amplifier 3 forms a control circuit. The dimensions of the control elements 5 must be calculated depending on the cutoff frequency (cutoff frequency) of the used elements 5a, 5b, 5c, so that the circuit remains stable, for example 120 kΩ on the electrical resistor 5a, 1 nF on the capacitor 5b and 10 kΩ on the electrical resistor 5c.

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 operational amplifier 1 and the protective elements 18, 19, 20, 21 located therein and their electrical connection to the contacts of the first operational amplifier 1.

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 electrical switch 10 is switched to ground potential. Thus, a voltage of approximately 0 volts is applied to the negative supply terminal 33 of the input amplifier. The input security elements 20, 21 are still blocking.

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 second switch 11 also switches to ground potential. Since the third op-amp 7 is regulated by its feedback resistor 8 in such a way that there is no significant voltage difference between the inverting input 38 and the non-inverting input 37 of the third op-amp 7, also the positive supply of the first op-amp 1 on the positive supply pin 32 becomes close to 0 volt. If the input current is now applied to the input pin 13, it flows through the protection diode 18 to the positive power pin 32.

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 electrical switch 12 is closed in this operating state so that the voltage adjacent to terminal 22, in this case 0.5 volts, is adjacent to the feedback resistor 2 in accordance with the forward voltage of the protection diode 18 so that a minimum current flows through the feedback resistor 2 .

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 input 13 now leads in this way through the protective diode 18 to the feedback resistor 8 of the third operational amplifier 7. An inverted voltage proportional to the input current is applied through the feedback resistor 8, which can be taken at the output 17 of the third operational amplifier 7. Diode 9 blocks in this case. The second current path for measuring high currents leads in this case from the inverting input 30 of the first operational amplifier 1 through the protective diode 18 of the protective diodes 18, 19, 20, 21 to the positive supply contact 32 of the first operational amplifier 1 and from there through the feedback resistor 8 of the third operational amplifier 7 to its output pin 17.

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 input voltage 13, when operating on the current path for high currents, is increased by the forward voltage of the protective element 18. To prevent this property, the mass points on the switches 10 and 11 can be reduced by the forward voltage of the protective element 18. The feedback element 2 is de-energized in this if 220 volts are applied at the input.

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 diode 9 is separated according to FIG. 4. If the second current path has been activated, a negative voltage is applied to output 17. Diode reverse current distorts the measurement. If the circuit is complemented according to Fig. 4, a negative voltage drops across diode 9b. Approximately 0 volts is then applied to the diode 9a on both sides, as a result of which the reverse current is significantly reduced.

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

1. Amplifying device for receiving currents, with

the first current path for measuring small currents less than 100 pA,

the input amplifying device (50) contained in the first current path,

at least one first amplifier (1),

exit,

inverting input (30),

the first feedback path (41) connecting the output to the inverting input (30) and

the feedback element (2) contained in the first feedback path (41),

wherein the first amplifier (1) has at least one protective element (18, 19, 20, 21),

a second current path for measuring higher currents with a maximum current of at least 10 times the current received in the first current path,

different in that

that at least one of the protective elements (18, 19, 20, 21) of the input amplifying device (50) is part of the second current path.

2. An amplifying device according to claim 1, characterized in that at least one of the protective elements (18, 19, 20, 21) is supplied with the supply voltage of the first amplifier (1).

3. An amplifying device according to any of the preceding claims, characterized in that at least one of the protective elements (18, 19, 20, 21) is located between the two inputs (30, 31) of the first amplifier (1) and is connected to it .

4. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-3, characterized in that the feedback element (2) on the first feedback path (41) is an electrical resistor.

5. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-4, characterized in that the feedback element (2) on the first feedback path (41) is a capacitor.

6. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-5, characterized in that the input amplifying device (50) has at least one additional amplifier (3), which together with the first amplifier (1) forms a control loop.

7. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that at least one of both supply contacts (32, 33) of the first amplifier (1) is connected through an electrical resistor (6a, 6b) to the output of the first amplifier (1).

8. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-7, characterized in that the feedback path (41) connects the output of the last amplifier of the input amplifying device (50), consisting of the first amplifier (1), as well as at least one additional amplifier (3), to the inverting input (30) input amplifying device (50).

9. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-8, characterized in that the negative supply contact (33) of the first amplifier (1) is configured to be connected selectively with the negative supply voltage (14) or ground using the first switch (10), while the positive supply contact (32 ) of the first amplifier (1) is electrically conductively connected to the inverting contact (38) of the third amplifier (7), the non-inverting input (37) of which is configured to be connected using the second switch (11) to choose from a positive supply voltage (15) or ground.

10. An amplifying device according to claim 9, characterized in that the third amplifier (7) has a second feedback path (43) with an electrical resistor (8) and an electrical diode (9) located in parallel to the resistor (8), which, in the direction from output (17) of the third amplifier to the positive supply contact (32) of the first amplifier (1) conducts current, and blocks it in the opposite direction.

11. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-10, characterized in that the first feedback path (41) is configured to be connected by means of the third switch (12) selectively with a voltage that prevents or allows the passage of current in the feedback element (2) depending on the position of the switch.

12. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-11, characterized in that the reference points of the mass of the switches (10, 11), as well as the reference voltage (22) are changed to the direct voltage of the protective element (18).

13. Amplifying device according to any one of paragraphs. 1-12, characterized in that the second feedback path (43) has two diodes (9a, 9b) between which there is a resistor (39) connected to a switch (11).

14. Gas detector with a mass spectrometric sensor or a total pressure sensor and with an amplifying device according to any one of paragraphs. 1-13.

15. A method for measuring currents using an amplifying device according to any one of paragraphs. 1-13,

different in that

that switching from the first current path to the second current path is carried out due to the fact that the negative supply contact (33) of the first amplifier (1) is connected to ground.

16. The method according to claim 15, characterized in that for switching the current path, the additional non-inverting input of the third amplifier (7), the inverting input of which is connected to the positive supply contact (32) of the first amplifier (1), is connected to ground.