TW202037072A - 放大小電流的放大器裝置 - Google Patents

Abstract

一種放大器裝置，用於接收電流，該放大器裝置包含一第一電流路徑，用於測量小於100皮安培的小電流，一輸入放大器裝置，置於該第一電流路經，該輸入放大器裝置包含至少一第一放大器，該第一放大器包含至少一保護單元，一輸出端，一反相輸入端，一第一回授路徑，電性連接該輸出端與該反相輸入端，及一回授單元，置於該第一回授路徑，以及該放大器裝置包含一第二電流路徑，用於利用最大值至少10倍於第一電流路徑接收的電流來測量較大電流，其中該輸入放大器裝置的至少一保護單元形成該第二電流路徑的一部份。

Description

放大小電流的放大器裝置

本發明係關於一種用於放大小電流的裝置及方法。

多數測量儀器的測量值是基於以帶正電或負電的粒子撞擊電極所產生的電流所形成，例如質譜儀或真空測量儀。由上述行為產生以待測之離子及電子流的強度動態範圍非常大，其強度範圍通常可自數百阿安培(atto-ampere)到數微安培(micro-ampere)，其涵蓋範圍的差距可以達數十次方之廣。

特別來說，在真空測量儀的低壓範圍以及測漏儀(leak detector)會測量小電流，質譜儀經常運用於此。在電流為小於10飛安培(fA)的微小電流的狀況下，當設置了亦可量測較大電流的放大器，也就是當範圍必須從小電流量測切換到較大電流量測時，即會發生切換困難。由於電阻的電流雜訊會隨著阻值的增加而減少，因此使用電阻的電流放大器必須包含一個用於極小電流的高阻抗電阻。然而當電流大於例如為10皮安培(pA)時，由於在高阻抗電阻中電壓下降幅度變得太大，因此在此情況無法使用高阻抗電阻。電容式放大器亦遭遇與電阻放大器相似的難處。在習知的放大器中，為了允許從小電流測量之工作狀態切換到大電流測量之工作狀態，半導體開關或繼電器被用於不同電阻或電流路徑的切換。總的來說，為了達到前述目的，勢必需要加入連接至多個敏感輸入節點的額外組件，其中該些節點有必須測量的最小電流流過。

為了測量此例如為離子流或電子流的粒子電流，測量儀器可拿來自該粒子電流產生可測量的電壓。而以達成此目的，所述測量儀器常包含一個通常具有一運算放大器的電流放大器。藉由例如置於運算放大器的回授路徑中的電子測量電阻，一可測量的電位即由被放大的電流所產生。

為了以相同的測量電路涵蓋存在的粒子流(particle currents)的整個動態範圍，在習知放大器及本發明的放大器的這兩種情況下，均係提供了在用於測量小於100皮安培(例如1皮安培)的小電流的敏感運作及測量至少1皮安培(例如100皮安培)的較大電流的運作之間起作用的切換。在一般常規電流中，可借由繼電器進行放大器切換，例如扇形質譜儀(sector mass spectrometers)的情況。在涵蓋較大電流範圍的基於電阻的電流放大器的情況下，由於只有高阻抗電阻可適用在小電流，且對較大電流而言只有低阻抗元件可承載此較大電流，所以範圍切換係不可忽略。在小電流的情況下，其實際應用總受到電流雜訊的限制。

在專利EP0615669B1中描述了一種利用二極體傳輸電流訊號的放大器。

本發明的目的在於提供一種放大小電流的放大器裝置，以及一對應的方法，其中放大較大電流的切換係已改良。

此放大器裝置以請求項1定義。

根據本發明，此放大器裝置包含一第一電流路徑，用於放大小電流。該第一電流路徑具有一輸入放大器裝置，該輸入放大器裝置具有至少一第一放大器以及一回授單元，其中該第一放大器具有例如為保護電極的至少一保護單元，而該回授單元位於連接該輸入放大器裝置的輸出端至反向輸入端的一回授路徑裡。為了測量較大電流，提供且形成至少部分不同、不屬於該第一電流路徑的一第二電流路徑，該第二電流路徑具有該第一放大器的至少一保護單元。

是故，根據本發明，提供一種放大器裝置，其中除了在最小電流的測量過程中所需的組件，即電流輸入端、回授單元形式的測量電阻，且該輸入放大器裝置具有至少該第一放大器，該放大器裝置的輸入端在用於測量較大電流時不需要任何額外的組件。該輸入放大器裝置在輸入端區域包含例如為多個二極體的多個保護單元，用於積體電路以保護輸入電路。根據本發明，該些保護單元用於範圍切換。因此，測量電路最小電流用途的最敏感範圍在某種程度上極其穩定，彷彿不存在用於測量其他電流大小的其他範圍一樣。在從敏感範圍轉換到測量較大電流的範圍時，輸入電流流經一或多個保護單元，輸入範圍亦進而變為低阻抗，即使相對於相當大的輸入電流。由於該些保護單元必須存於該第一放大器的積體電路，因此任何放大器模組是無法使用的。具有用於供應電壓的該些保護單元的放大器模組以及在輸入線路之間具有保護單元的放大器模組兩者皆可使用。

該輸入放大器裝置可包含n大於等於1的n個放大器。在最簡單的n=1的情況下，該輸入放大器裝置只具有該第一放大器。若n=2，該輸入放大器裝置可以由形成放大器組合的至少兩個放大器組成。

該輸入放大器裝置包含一反相輸入端及一輸出端。該輸出端透過一回授路徑連接該輸出端以及該反向輸入端。該回授路徑包含一回授單元。

該些放大器可以為運算放大器且/或該些保護單元可以為保護二極體。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請同時參考圖1及圖3。根據本發明一實施例所繪製的放大器裝置包含第一運算放大器1，其中第一運算放大器1具有反相輸入端30、非反相輸入端31、輸出端34、正供電端32以及負供電端33。

第一運算放大器1具有保護單元18、19、20、21，在本實施例中該些保護單元為多個二極體，保護單元18、19、20、21以電橋整流器電路(bridge rectifier circuit)的形式置於反相輸入端30、非反相輸入端31、及兩供電端32、33之間，並使該些保護單元相互連接。保護單元18、19、20、21係配置以便其由負供電端33導通至正供電端32，且在相反方向上阻斷。

術語「以電橋整流器電路的形式」，其意指該電橋分支包含了該運算放大器1的兩輸入端30、31。此係基於在理想運算放大器的情況下，無任何降壓會發生於兩輸入端之間的概念。在此，橋支的一端連接至反相輸入端30，且分支另一端連接至非反相輸入端31。兩輸入端之間產生的差分電壓(其在理想運算放大器的情況下等於0)因此應用於電橋分支的一部份。

第一運算放大器1的輸出端34連接至第二運算放大器3的非反相輸入端35，其中第二運算放大器3的輸出終端係透過一回授分支41連接至第一運算放大器1的反相輸入端30。回授路徑41具有兩電阻2、4，在其間回授路徑41係透過第三開關12連接至輸入端22，其中輸入端22具有約為0.5伏特的二極體順向電壓的電壓。

第二運算放大器3的輸出終端16更透過控制單元5接地。控制單元5係由電阻5a、電容5b及電阻5c組成。第二運算放大器3的反相輸入端36電性連接於電容5b和電阻5c之間，以做為回授之用。

第一運算放大器1的輸出端34透過第一電阻6a連接至第一運算放大器1的正供電端32，且透過第二電阻6b連接負供電端33。負供電端33用於交替地連接至-5伏特的一供應電壓或是接地，其中供應電壓係透過第一開關10由電壓源14供應。

第一運算放大器1的正供電端32電性連接第三運算放大器7的反相輸入端38，其中第三運算放大器7的輸出終端17透過電阻8來回授。在此，電阻8由二極體9橋接，其中二極體9從第三運算放大器7的輸出終端17往第一運算放大器1的正供電端32的方向導電，並在相反方向上阻斷。

第一放大器1與第二放大器3形成輸入放大器裝置50，其中兩放大器1、3形成一個放大器組合。回授路徑41連接輸入放大器裝置50的輸出端至其反相輸入端30。

第三運算放大器7的非反相輸入端37用於選擇性地連接到電壓源15(於當前情況為5伏特)，或者經由第二開關11接地。

根據本發明一實施例所繪製的放大器裝置，第一運算放大器1被用為一輸入放大器，其保護單元18、19、20、21作為供應電壓的輸入保護二極體。當放大器裝置運作於測量在最敏感範圍內例如為小於100皮安培的小電流，輸入電流訊號透過輸入終端13傳送至第一運算放大器1。負供應電壓由電壓源14透過呈圖1所示之開關位置的第一開關10饋送至第一運算放大器1。正供應電壓由電壓源15(當前情況為5伏特)透過位於第三運算放大器7的非反相輸入端37且呈圖1所示之開關位置的第二開關11饋送至該運算放大器1。

第三運算放大器7的輸出終端17的輸出電壓係調整至隨著二極體9之二極體順向電壓而增加的數值。因此，饋送至第一運算放大器1的電壓會變得與第三運算放大器7的非反相輸入端37的電壓一樣大。

第三運算放大器7不屬於輸入放大器裝置50的一部份。第三運算放大器7用於接收輸入放大器裝置50之輸入終端13的較大電流。其輸入電流藉由保護單元18並通過第一運算放大器1而直接流入第三運算放大器7的輸入端38。然而輸入終端13的較小電流首先係由輸入放大器裝置5放大。

在如圖1所示的運作狀態中，第三開關12呈現開路以測量較小電流。兩個回授電阻4、2共同形成回授單元，在此的回授單元為電阻器的形式。

在這種情況下，位於第一運算放大器1之反相輸入端30的輸入終端13為虛擬零點，使得在輸入終端13處沒有明顯電壓湧入。

在第二運算放大器3之輸出終端16，存在一個與第一運算放大器1的輸入電流成比例的反向電壓。輸入放大器裝置50的保護二極體18、19、20、21於此時分別依反方向運作，因此不會承載任何明顯的電流。

由第一運算放大器1及第二運算放大器3組合的輸入放大器裝置50形成一個控制電路。控制單元5必須根據元件5a、5b、5c的極限頻率來訂定規格，以使得電路維持穩定，例如電阻5a阻值為120千歐姆(kilo-ohms)、電容5b容值為1奈法拉(nF)且電阻5c阻值為10千歐姆。

圖1繪示了整個放大器裝置，圖2詳細繪示了第一運算放大器1及置於其中的保護單元18、19、20、21，以及其與第一運算放大器1各端點的電性連接。

圖3係繪示用於透過第二電流路徑測量較大電流的運作狀態下的放大器裝置。為達此目的，該放大器裝置係在擴大的電流範圍中運作，其中第一開關10切換至接地檔位。因此，在輸入放大器的負供電端33係呈約為0伏特的電壓。輸入保護單元20、21持續阻斷。

第二開關11亦改變至接地檔位。由於第三運算放大器7與其回授電阻8係受制以使得第三運算放大器7的反相輸入端38與非反相輸入端37之間不存在任何明顯的差分電壓，在第一運算放大器1的正端供應在正供電端32幾乎為0伏特。若一輸入電流饋入輸入終端13，該輸入電流係經由保護二極體18流入正供電端32。

第三開關12在此工作狀態下閉合，使得在終端22提供的電壓(當前情況為0.5伏特)能對應於保護單元18的二極體順向電壓而呈現於回授電阻2，盡可能使得沒有電流流經回授電阻2。

現在，測量較大電流用的第二電流路徑係從輸入終端13透過二極體18延伸至第三運算放大器7的回授電阻8。一個與輸入電流成比例的反向電壓係橫跨產生於回授電阻8，該反向電壓可以在第三運算放大器7的輸出17處取得。在此情況下，二極體9係為阻斷。用於量測較大電流的該第二電流路徑接下來自第一運算放大器1之反相輸入端30透過保護二極體18、19、20、21的保護二極體18延伸至第一運算放大器1之正供電端32，再從正供電端32透過第三運算放大器7的回授電阻8延伸至其輸出終端17。

在上述電路中，在運作於供較大電流所用之該電流路徑的期間，輸入端13的輸入電壓會藉由保護單元18的順向電壓增加。為了避免此特性，藉由保護單元18的順向電壓，可以減少在第一開關10及第二開關11的接地點的電壓。如此一來，當220伏特電壓饋送到輸入端時，回授電阻2即變得無電流。

另一個第二電流路徑的改良係透過對圖4的二極體9細分來實現。當第二電流路徑被啟動後，一負電壓在輸出終端17生成。而二極體的反向阻斷電流會使測量結果失真。當補足如圖4的電路後，於二極體9b處的負電壓下降。然後在二極體9a兩側產生約0伏特的電壓，藉此反向阻斷電流即大幅地減少。

本說明書於此說明了正向輸入電流的電路。通常來說負向或雙向電流的方向下的電路變化皆是可實現的。

另外，本發明另一實施例提供一種氣體探測器，包含一質譜傳感器或一總壓力傳感器，且包含如任一上述實施例所述之放大器裝置。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1:第一運算放大器 10:第一開關 11:第二開關 12:第三開關 13:輸入終端 14:電壓源 15:電壓源 16:輸出終端 17:輸出終端 18、19、20、21:保護單元 2:回授電阻 22:輸入終端 3:第二運算放大器 30:反相輸入端 31:非反相輸入端 32:正供電端 33:負供電端 34:輸出端 35:非反相輸入端 36:反相輸入端 37:非反相輸入端 38:反相輸入端 39:電阻 4:回授電阻 41:回授路徑 43:第二回授路徑 5:控制單元 5a:電阻 5b:電容 5c:電阻 50:輸入放大器裝置 6a:第一電阻 6b:第二電阻 7:第三運算放大器 8:回授電阻 9:二極體 9a:二極體 9b:二極體

在此之下的本發明之實施例將基於下列圖式詳細闡明： 圖1係繪示處於第一運作狀態的本發明一實施例。 圖2係繪示圖1之細節。 圖3係繪示處於第二運作狀態的本發明一實施例。 圖4係繪示根據本發明第二實施例的圖1及圖3的細節。

1:第一運算放大器

10:第一開關

11:第二開關

12:第三開關

13:輸入終端

14:電壓源

15:電壓源

16:輸出終端

17:輸出終端

18、19、20、21:保護單元

2:回授電阻

22:輸入終端

3:第二運算放大器

30:反相輸入端

31:非反相輸入端

32:正供電端

33:負供電端

34:輸出端

35:非反相輸入端

36:反相輸入端

37:非反相輸入端

38:反相輸入端

39:電阻

4:回授電阻

41:回授路徑

43:第二回授路徑

5:控制單元

5a:電阻

5b:電容

5c:電阻

50:輸入放大器裝置

6a:第一電阻

6b:第二電阻

7:第三運算放大器

8:回授電阻

9:二極體

Claims (16)

1. 一種用於接收電流的放大器裝置，包含：一第一電流路徑，用於測量小於100皮安培的小電流；一輸入放大器裝置，包含於該第一電流路經，該輸入放大器裝置具有：至少一第一放大器；一輸出端；一反相輸入端；一第一回授路徑，連接該輸出端與該反相輸入端；及一回授單元，包含於該第一回授路徑，其中該第一放大器包含至少一保護單元；以及一第二電流路徑，用於利用最大值至少10倍於該第一電流路徑接收的電流來測量較大電流，其中該輸入放大器裝置的至少一保護單元形成該第二電流路徑的一部份。
2. 根據請求項1所述之放大器裝置，其中該第一放大器的供應電壓流經該些保護單元的至少之一者。
3. 根據上述任一請求項所述之放大器裝置，其中至少一保護單元置於該第一放大器之兩輸入端之間並連接該些輸入端。
4. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中置於該第一回授路徑的該回授單元係一電阻。
5. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中置於該第一回授路徑的該回授單元係一電容。
6. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該輸入放大器裝置更包含至少另一放大器，且該放大器與該第一放大器形成一控制電路。
7. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該第一放大器的二供應終端中至少一者透過一電阻連接該第一放大器的輸出端。
8. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該第一回授路徑連接該輸入放大器裝置的最後一放大器之輸出端及該輸入放大器裝置的該反相輸入端，其中該輸入放大器由該第一放大器與至少另一放大器組成。
9. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該第一放大器的該二供應終端之一負供電端透過一第一開關可選擇地連接一負供應電壓或接地，而該第一放大器的該二供應終端之一正供電端可導電的連接一第三放大器的一反相輸入端，其中該第三放大器之一非反相輸入端透過一第二開關可選擇地連接一正供應電壓或接地。
10. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該第三放大器包含一第二回授路徑，該第二回授路徑具有一電阻及與該電阻平行置放的一二極體，其中該二極體自該第三放大器的一輸出端往該第一放大器之該正供電端的方向導電，且該二極體對反方向阻斷傳導。
11. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該第一回授路徑連接一第三開關，其中透過該第三開關依據開關位置選擇性產生的電壓係允許或抑制電流流入該回授單元。
12. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中保護單元的順向電壓改變該第一開關、該第二開關及一輸入終端的接地檔位。
13. 根據請求項1或2所述之放大器裝置，其中該第二回授路徑更包含兩二極體以及關聯於該第二開關的一電阻，其中該電阻在該兩二極體之間連接該兩二極體。
14. 一種氣體探測器，包含一質譜傳感器或一總壓力傳感器且包含如請求項1或2所述之放大器裝置。
15. 一種利用上述請求項1到13所述之放大器裝置測量電流的方法，其中從第一電流路徑切換至第二電流路徑係藉由使該第一放大器的該負供電端接地來達成。
16. 如請求項15所述之利用放大器裝置測量電流的方法，其中在切換電流路徑中，該第三放大器的一非反相輸入端額外地接地，其中該第三放大器的一反相輸入端連接至該正供電端。

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