[发明专利]具有快速响应的宽动态范围静电计

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于测量电流的方法以及系统。具体而言，本发明涉及用于快速地测量具有宽动态范围的电流的方法以及系统。

背景

静电计测量极低电平的宽范围的电流。例如，质谱仪使用具有从小于0.1皮安(pA)到10.0飞安(fA)的八个数量级的覆盖范围的电流传感器。测量电流的最直接方法是在反馈配置中使用运算放大器。图1示出其中电阻器R(101)是反馈元件的反馈配置。运算放大器30包括反相输入32A、非反相输入32B和输出34。电阻器R电耦合在放大器30的输出34和放大器30的反相输入32A之间，以形成反馈回路。非反相输入32B接地。在该配置中，输出电压Vout根据以下关系与输入电流Iin相关：

Vout＝IinR。

然而，此类配置具有许多问题。对于给定带宽和温度，输入电流噪声与电阻器R的电阻的平方根成反比。因此，随着电阻器R的电阻降低，输入电流噪声增加(类似地，随着电阻器R的电阻增加，输入电流噪声减少)。

输入电流噪声还与带宽和绝对温度的平方根成正比。确定响应时间的带宽由反馈电阻器R的值和其固有电容以及任何杂散电容形成的时间常数支配。为了改进响应时间，通过选择具有小电阻值的电阻器R来减小时间常数。但是，部分地由于增大的带宽和部分地由于较小的电阻，这具有增加噪声的效果。

积分可用于减少噪声。噪声与积分时间的平方根成反比。因此，随着积分时间增加，噪声减少。但是，积分有效地降低带宽并增加静电计的响应时间。积分时间和带宽之间的关系为

Bw=1π·THz.]]>

由此，一秒积分时间等效于0.318Hz的带宽。并且随着积分时间增加，带宽减小，由此增加响应时间。

使用具有单个反馈电阻器R的运算放大器的静电计还具有有限的动态范围。动态范围由可测量的最大信号与RMS噪声电平的两倍的比率确定，这可表示可适当地检测的最小信号。对于10伏特的满标度信号，满标度电流将是安培。电阻器R两端的电压噪声由伏特RMS给出，其中K＝1.38 x 10^-23(玻尔兹曼常数)、T＝以°K为单位的绝对温度、R＝以欧姆为单位的电阻、而Bw＝以赫兹为单位的带宽(假设砖墙式(brick-wall)滤波器)。因此，等效电流噪声将是

如果最小可检测信号是噪声的两倍，则动态范围将是

54·K·T·R·Bw:1.]]>

表格1在以下列出在300°K的绝对温度可从各个电阻器和带宽获得的动态范围：

表格1。

如表格1所示，用具有较低电阻的电阻器来实现最佳的动态范围。在一些应用中，最大可用信号电流约为200nA，其对于10伏特的信号表示50兆欧的电阻器。然而，电阻值低于50兆欧的反馈电阻器R无法用于获取更好的动态范围，因为满标度输出将是不可能的。实际上，如果将大输入电流施加到电阻值低于50兆欧的反馈电阻器R，则电压输出Vout将饱和(即，Vout将等于施加到运算放大器30的源电压电平)。

增加动态范围的一种方法是增加包括电阻器Ra、Rb和Rc(102a-c)的电阻器组、以及提供可选电阻电平的开关或继电器Sa、Sb和Sc(103a-c)(如图1所示)。然而，此类电阻器组具有若干缺点。首先，具有最小漏电流的开关是复杂的，并且因此是昂贵的。第二，具有继电器的开关感生静电场，并且引入干扰输入电流信号的其他干扰。第三，使用开关导致在电阻器之间切换时的冗长的稳定时间。最后，如果将大的超标度输入信号施加到具有高电阻值的电阻器，则开关具有过载恢复时间问题。