УСИЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ МАЛЫХ ТОКОВ Российский патент 2023 года по МПК H03F3/20 

Изобретение относится к устройству и способу для усиления малых токов.

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.

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.

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.

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.

В EP 0 615 669 B1 описывается усилитель, у которого токовый сигнал передается при помощи диодов.

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.

Соответствующее изобретению усилительное устройство раскрыто в независимом пункте 1 формулы изобретения.

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.

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.

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.

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.

Говоря об усилителях, речь может идти об операционных усилителях, и/или, говоря о защитных элементах, речь может идти о защитных диодах.

Далее примеры осуществления изобретения разъясняются более подробно на основе чертежей, на которых показано:

фиг. 1 - пример осуществления в первом рабочем состоянии;

фиг. 2 - фрагмент с фиг. 1;

фиг. 3 - пример осуществления во втором рабочем состоянии; и

фиг. 4 - фрагмент с фиг. 1 или фиг. 3 согласно второму примеру осуществления.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Здесь была описана схема для положительных входных токов. Принципиально возможен вариант схемы для отрицательного или также для обоих направлений тока.

Использование: для усиления малых токов. Сущность изобретения заключается в том, что усилительное устройство включает в себя первый путь тока для измерения малых токов менее 100 пА, причем на первом пути тока находится входное усилительное устройство, включающее, по меньшей мере, один первый усилитель, выход, инвертирующий вход, первый путь обратной связи, соединяющий выход с инвертирующим входом, и элементом обратной связи, содержащимся на пути обратной связи, причем первый усилитель имеет, по меньшей мере, один защитный элемент, второй путь тока для измерения больших токов с максимальным током, по меньшей мере, в 10 раз превышающим ток, принимаемый на первом пути тока, при этом, по меньшей мере, один из защитных элементов усилителя является частью второго пути тока. Технический результат: обеспечение возможности создания усилительного устройства для усиления малых токов, при помощи которого улучшается переключение для усиления больших токов. 3 н. и 13 з.п. ф-лы. 4 ил.

1. Усилительное устройство для приема токов, с

первым путем тока для измерения малых токов менее 100 пА,

содержащееся на первом пути тока входное усилительное устройство (50) с,

по меньшей мере, одним первым усилителем (1),

выходом,

инвертирующим входом (30),

первым путем (41) обратной связи, соединяющим выход с инвертирующим входом (30) и

элементом (2) обратной связи, содержащимся на первом пути (41) обратной связи,

причем первый усилитель (1) имеет, по меньшей мере, один защитный элемент (18, 19, 20, 21),

второй путь тока для измерения бóльших токов с максимальным током, по меньшей мере, в 10 раз превышающим ток, принимаемый на первом пути тока,

отличающееся тем,

что, по меньшей мере, один из защитных элементов (18, 19, 20, 21) входного усилительного устройства (50) является частью второго пути тока.

2. Усилительное устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, к одному из защитных элементов (18, 19, 20, 21) прикладывается питающее напряжение первого усилителя (1).

3. Усилительное устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из защитных элементов (18, 19, 20, 21) расположен между двумя входами (30, 31) первого усилителя (1) и соединен с ним.

4. Усилительное устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что элемент (2) обратной связи на первом пути (41) обратной связи является электрическим резистором.

5. Усилительное устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что элемент (2) обратной связи на первом пути (41) обратной связи является конденсатором.

6. Усилительное устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что входное усилительное устройство (50) имеет, по меньшей мере, один дополнительный усилитель (3), который вместе с первым усилителем (1) образует контур регулирования.

7. Усилительное устройство по любому из пп. 1-6, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из обоих питающих контактов (32, 33) первого усилителя (1) соединен через электрический резистор (6a, 6b) с выходом первого усилителя (1).

8. Усилительное устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что путь (41) обратной связи соединяет выход последнего усилителя входного усилительного устройства (50), состоящего из первого усилителя (1), а также, по меньшей мере, одного дополнительного усилителя (3), с инвертирующим входом (30) входного усилительного устройства (50).

9. Усилительное устройство по любому из пп. 1-8, отличающееся тем, что отрицательный питающий контакт (33) первого усилителя (1) выполнен с возможностью соединяться при помощи первого переключателя (10) выборочно с отрицательным питающим напряжением (14) или массой, в то время как положительный питающий контакт (32) первого усилителя (1) электропроводно соединен с инвертирующим контактом (38) третьего усилителя (7), неинвертирующий вход (37) которого выполнен с возможностью соединяться при помощи второго переключателя (11) на выбор с положительным питающим напряжением (15) или массой.

10. Усилительное устройство по п. 9, отличающееся тем, что третий усилитель (7) имеет второй путь (43) обратной связи с электрическим резистором (8) и расположенным параллельно к резистору (8) электрическим диодом (9), который в направлении от выхода (17) третьего усилителя к положительному питающему контакту (32) первого усилителя (1) проводит ток, а в противоположном направлении блокирует.

11. Усилительное устройство по любому из пп. 1-10, отличающееся тем, что первый путь (41) обратной связи выполнен с возможностью соединяться при помощи третьего переключателя (12) выборочно с напряжением, которое предотвращает или допускает прохождение тока в элементе (2) обратной связи в зависимости от положения переключателя.

12. Усилительное устройство по любому из пп. 1-11, отличающееся тем, что опорные точки массы переключателей (10, 11), а также опорное напряжение (22) изменяются на прямое напряжение защитного элемента (18).

13. Усилительное устройство по любому из пп. 1-12, отличающееся тем, что второй путь (43) обратной связи имеет два диода (9a, 9b), между которыми расположен резистор (39), связанный с переключателем (11).

14. Газовый детектор с масс-спектрометрическим датчиком или датчиком полного давления и с усилительным устройством по любому из пп. 1-13.

15. Способ измерения токов с использованием усилительного устройства по любому из пп. 1-13,

отличающийся тем,

что переключение с первого пути тока на второй путь тока осуществляют за счет того, что отрицательный питающий контакт (33) первого усилителя (1) соединяется с массой.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что для переключения пути тока дополнительно неинвертирующий вход третьего усилителя (7), инвертирующий вход которого соединен с положительным питающим контактом (32) первого усилителя (1), соединяют с массой.