JPH07501616A - 粒子電流の測定方法および測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 粒子電流の測定方法および測定回路 本発明は、小電流の測定方法およびこの方法を実施するための回路に関する。

多くの濶定機器、倒えば質量分光計、真空測定装置等では、測定値形成が電極に 衝突する正または負に荷電された粒子によって形成される電流に基づいて行われ る０発生して測定すべき？オンまたは電子電流強度のダイナミック領域は非常に 大きい、この電流はしばしば数百ａＡから数μＡまで達し、したがって９桁を越 える。

本発明の課題は、このオーダの電流を電流を測定する方法とこの測定方法を実施 するのに適した回路を提供することである。この回路によって、測定値形成を迅 速、正確かつノイズなしで行うことができる。

本発明の測定方法は請求の範囲第１項から第５項までに、本発明の回路は請求の 範囲第６項から第１３項までに記載されている。

本発明の測定方法の利点は、すべての電流領域出力側が平行的に過渡経過し、こ れにより洞窟信号を入力電流の大きさに依存しない、で後置接続されたマルチプ レクサにより選択して読出すことができることである。

これにより例えばソフトウェアによる対数計算が可能である。測定値形成は、回 路が非常に高速に（短い時定数で）実行できるという利点に付加的に支援されて 非常に迅速に行われる０時定数が小さいので、ソフトウェアあたりの平均時間を 多数の個別の測定から平均することによって広い領域で選択することができる。

オフセットを考慮することも次のようにして筒単に行うことができる。すなわち 、入力電流が流れていない時点ですべての電流領域出力側を測定し、この値を通 常の測定の際にオフセット値として減算するのである本発明の回路に対するコス トとスペース需要は僅かである。本発明の回路はリレーを必要とせず、そのため ノイズに対して不感である。

本発明の別の利点および詳細を図１および図２に示された実施例に基づき説明す る。

図１の基本回路図で、回路の入力側には１が付しである。入力端］には、フィー ドバック抵抗３を有する演算増幅器２が接続されている。演算増幅器２の出力側 ４は、ローパスフィルタ６の配置された線路５を介してマルチプレクサ７と接続 されている。そのほかに、ローパスフィルタ６の出力側はぞ複機９の入力端に接 続されており、増幅器の出力側１１は線路１２を介してマルチプレクサ７と接続 されている。付加的に増幅器９の出力側１１は増幅器１３の入力側１３に接続さ れており、この増幅器の出力側１４は線路１５を介してマルチプレクサ７と接続 されている。

信号入力側ｌにはさらに線路１７が接続されており、この線路は逆並列に接続さ れた２つのダイオード１８．１９を有する。この線路１７は、フィードバック抵 抗２２を備えた第２の演算増幅器２１の入力側には接続されている。この演算増 幅器の出力側２３は差動増幅器２５の２つの入力側の１つに接続されている。差 動増幅器の出力側２６は線路２７を介してマルチプレクサ７と、さらに線路２８ を介して別の増幅器２９の入力側と接続されている。この増幅器の出力側３１は 線路３２を介してマルチプレクサと接続されている。

さらに線路３３には直列に接続された２つのダイオード３４と３５およびアース された抵抗３６が設けられている。ダイオード３４．３５と抵抗３６との間には 線路３７が接続されており、この線路は差動増幅器２５の第２の入力側と接続さ れている。さらにこの線路区間は演算増幅器２１の非反転入力側と接続されてい る。

マルチプレクサ７にはさらにアナログ−デジタル変換器３８が接続されている。

図示の回路は大きなダイナミック領域を有する入力電流を測定することができる 。入力電流が小さい場合、すなわち入力電流が電流領域の下にある場合、抵抗３ では比較的に小さな電圧が降下する。すなわち、ダイオード３４．３５は導通し ない。したがって線路３３には電流は流れず、抵抗３６で電圧降下は生じない。

これにより第２の演算増幅器２１はそのマイナス入力側をＯｖに制御する。その 結果ダイオード１８．１９に電圧は印加されない、これによりこの２つのダイオ ードは遮断されている。したがって小さな入力電流は抵抗３にしか流れず、演算 増幅器２の出力側には入力電流に比例する電圧を測定することができる。このよ うにして演算増幅器２の出力側４は、マルチプレクサ７と接続された電流領域出 力側の１つを形成する。

非常に小さな入力電流により惹起された電圧信号はさらに増幅器９と１３を用い て増幅することができる。

これらの増幅器の出力側１１と１４は同様にマルチプレクサ７と接続されており 、したがって別の電流領域出力側を形成する。入力電流が最小の場合、すなわち 出力側１４が飽和制御されていない場合はこの出力側で測定が行われる。入力電 流が上昇すると。増幅器１３は飽和制御信号を送出し、したがって増幅器９の出 力側１１へ移行しなければならない。この増幅器９が飽和制御信号を送出しない 間は、出方側１１がら送出された信号が測定信号として使用される。入力電流が さらに上昇すると、同じように演算増幅器２の出力側４に移行しなければならな い。

ダイオード３４と３５は次のように選定されている。

すなわち、これらのダイオードは、演算増幅器２の信号領域出力側４が正規の測 定値を送出する測定領域が利用し尽（されたとぎにほぼ導通するように選定され ている。これらのダイオードが導通すると、演算増幅器２１の制御ループにより そのマイナス入力側に形成された電圧が抵抗３６にて降下する。したがって入力 側１に流れ込む入力電流を分割し、２つの演算増幅器２と２１により記録するこ とができる。上記の分割は、抵抗３に一定の成分が流れ、それぞれの過剰成分が 演算増幅器２１の抵抗２２に流れるように行われる。したがって演算増幅器２の 電流領域出力側４はマルチプレクサ７に、線形領域にある一定の電圧信号を送出 する。同様に演算増幅器２１の出力側２３は過剰成分に相応する信号を送出する 。しかしこの信号にはダイオード１８と１９の順方向電圧がエラーとして含まれ ている。この電圧は差動増幅器２５（線路３７）の入力側にも印加されるので、 差動増幅器２５の出力側には補正された電圧が出力され、この電圧は線路２６を 介して直接、または一度（増幅器２９で）増幅してマルチプレクサ７に供給され る。

上記回路の簡単化も可能である。その際、増幅器２１の出力側はマルチプレクサ ７に直接接続される０図示の実施例で差動増幅器２５が行った補正はこの場合、 マルチプレクサ７への線路３７の接続によってソフトウェアで行わなければなら ない。このソフトウェアは差を形成する。小＠流に対する電流分路は２つの出方 側を有するか、および／または電界効果トランジスタを介して供給することがで きる。第３の電流分路が設けられていれば、第３の電流分路は第２の電流分路が ら分岐させることができる。構成素子１８．１９に相応する付加的構成素子の導 電率は有利には増幅器出力信号２３から導出する。しかし第３の電流分路を直接 入力側１に接続し、構成素子の導電率を増幅器４がら導出することもできる。

マルチプレクサ７を制御するソフトウェアは、信号領域出力側４．１１．１４． ２６．３１のそれぞれどれが測定値形成に使用される有効な信号値を送出してい るかを検出する。最も感度の高い信号領域出力側１４から出発すれば、例えば領 域超過に基づいて正しい値を発見することができる。第１の増幅器群２．９．１ ３の最も感度の低い電流領域出力側４がら第２の増幅器群２５．２９の最も感度 の高い出力側３１への移行の際に、出力側３１に割り当てられている領域内で既 に測定されなければならないだけである。なぜなら電流領域出力側４は移行後に は線形領域にある電圧に保持されるからである。出力側２６と３１で測定された 信号には、入力端子に比例する出力信号を得るため出力側４で測定された信号を 加算しなければならない。

この機能もマルチプレクサ７を制御するソフトウェアが行う。アナログ−デジタ ル変換器３８により、接続されたプロセッサに対する信号の処理を行う。

入力端子が多数の桁にわたって急速に変化する場合、ダイオード１８と１９の蓄 積時間が障害となって現れる。この影響は、ダイオード１８と１９が導通すべき でない電流の際に遮断するスイッチ（例えば電界効果トランジスタ）を線路１７ に挿入することによってほぼ回避される。

演算増幅器２と２１のフィードバック素子３と２２として抵抗が示されている。

しかし有利にはコンデンサまたは非線形構成素子を使用することもできる１重要 なことは、フィードバック素子の選択によって同じ段で領域の拡大が得られるこ とである。すなわち、比較的に高い電流領域の段は係数Ｖだけ比較的に低い領域 の最後の段よりも上にある。増幅係数Ｖは移行領域における所望の分解能に依存 する。この値が小さく選択されればされるほど、各領域のそれぞれ開始に対する 分解能が小さくなる。例えば５つの出力側がある場合、 最大電流／電流分解能＝Ｖ−Ｖ・■・Ｖ・　（ＡＤ変換器の最大値／ＡＤ変換器 の分解能） であり、Ｖ＝３１．６が選択されていれば、１２ビツトＡＤ変換器が使用され、 バイポーラ電流副室がおこなわれる場合、比として 最大＠　ｉｔ　／　１ｉ流分解能＝３１．６ｘ４ｘ　（＋２０４８）＝±２．０ ４８Ｅ９ が得られる。

図２は、正に荷電された粒子により形成される電流の測定のための図１に示され た回路の構成実施例を示す、ただ１つの信号を用いた測定値形成から和信号によ る測定値形成への移行を定めるダイオード３４．３５に対しては以下のことがあ てはまる：ＡＤ変換器３８が５ｖの最大電圧に対して構成されていれば、ダイオ ード３４と３５の動作電圧は例えば４．７ｖよりやや小さくなければならない、 すなわち入力電流は移行領域にあることとなる。

１＝［４，７Ｖ＋ダイオード順方向電圧（Ｄ３４゜３５）コ／抵抗３ 所定の電圧値を越える際、マルチプレクサは次の入力側へ移行する。この手順は 次のとおりである。ソフトウェアは最も感度の高い入力側を読出す。読出した値 がＡＤ変換器の最終値に相応する場合、マルチプレクサは次の感度のチャネルに 切り替え、もう一度値を読出さなければならない、このことは、読出した値がＡ Ｄ変換器のが最終値に相応しなくなるまで続けられる。

平成　６年　６月執日 １、　国際出願番号 ＰＣＴ／ＥＰ９２１０２３６３ ２、　発明の名称 粒子電流の測定方法および測定回路 ３　特許出願人 住　所　ドイツ連邦共和国　６４５ｏ　ハーナウ　ヴイルへルムーローンーシュ トラーセ　２５ 名　称　ライボルト　アクチェンゲゼルシャフト４、代理人 住　所　〒１００東京都千代田区丸の内３丁１１３番１号（１）　補正書の翻訳 文　１通 請　求　の　範　囲 ■、　電子回路を用いて電流を測定する方法において、回路の入力側（１）に２ つの電流分路を接続し、非常に小さな電流強度の電流の測定を次のようにして行 い、 すなわち当該＠流測定は、第２の電流分路が遮断されている際に１ｉ流信号を、 第１の電流分路にある直列に配置された増幅器（２，９，１３）を用いて増幅し 、当該増幅器の出力側に印加される信号からそれぞれ該当する信号を選択し、測 定信号としてさらに導通するようにして行い、 比較的に大きな電流強度の電流の測定を次のようにして行い、 すなわち当該電流測定は、電流信号を第１の電流分路と第２の電流分路に分割し 、 一定の成分が第１の電流分路に、過剰成分が第２の電流分路に流れるようにし、 第２の電流分路を流れる電流信号を直列に配置された増幅器（２１，２５，２９ ）を用いて増幅し、当該増幅器の出力側に印加される信号からそれぞれ該当する 信号を選択し、 当該信号を第１の電流分路の一定の信号に加算し、和信号を測定信号としてさら に導通するようにして行うことを特徴とする電流測定方法。

２、　電子回路を用いて電流を測定する方法において、回路の入力側（１）に２ つの電流分路を接続し、非常に小さな電流強度の電流の測定を次のようにして行 い、 すなわち当該電流測定は、第２の電流分路が遮断されている際に電流信号を、第 １の電流分路にある直列に配置された増幅器（２，９、＋３）を用いて増幅し、 当該増幅器の出力側に印加される信号からそれぞれ該当する信号を選択し、測定 信号としてさらに導通するようにして行い、 比較的に大きなａ流強度の電流の一定を次のようにして行い、 すなわち当該電流測定は、第１の電流分路が遮断されている際に電流信号を、第 ２の電流分路にある直列に配置された増幅器（２１，２５，２９）を用いて増幅 し、 当該増幅器の出力側に印加される信号からそれぞれ該当する信号を選択し、測定 信号としてさらに導通するようにして行うことを特徴とする電流測定方法。

３、　増幅器の１！流領域出力側（２，９，１３ないし２１．２５．２９）から 送出される信号はマルチプレクサに供給され、 アナログ／デジタル変換器（３８）が、ソフトウェアルーチンでさらなる処理お よびマルチプレクサの制御に使用される電流を変換する請求の範囲第１項または 第２項記載の方法。

４、　第２の電流分路の遮断を、電流強度の非常に小さな電流の測定の際に次の ようにして行う、すなわち第２の＠流分路に１つまたは複数の構成素子（１８， １９）が配置されており、当該構成素子の導電率を第１の電流分路の増幅器（２ ）の出力信号に依存して、電流強度の小さな電流の際には当該構成素子が遮断さ れ、比較的に大きな電流強度の電流の際には導通するように変化させて行う請求 の範囲第１項から第３項までのいずれか１項記載の方法。

５、　電流強度の小さな電流を第１の演算増幅器（２）の入力側に供給し、 演算増幅器の電圧出力信号をマルチプレクサ（７）に直接および増幅器（９）に 供給し、 比較的に大きな電流強度の電流を構成素子（１８，１９）の導電率の低減によっ て、第１の演算増幅器（２）に供給される一定成分と、別の電流分路に供給され る過剰成分とに分割し。

増幅器（２，９，１３および２５．２９ないし２１）の信号領域出力側（４，１ １，１４および２６．３１ないし２３．３７）から送出された信号をマルチプレ クサ（７）に供給する請求の範囲第１項または第２項記載の方法。

６、　入力電流がない場合、領域出力側がら送出されるすべての値を測定し記録 し、 後での入力電流の測定の際、当該値をオフセット値として減算する請求の範囲第 １項から第４項までのいずれか１項記載の方法。

７、　エラー電圧を演算増幅器（２１）の出方側（２３）にてマルチプレクサ（ ７）に供給し、エラーをソフトウェアで補正する請求の範囲第１項から第６項ま でのいずれが１項記載の方法。

８、　第１の演算増幅器（２）の入力側は信号入力側（１）を形成し、 当該演算増幅器（２）の出力側（４）には１つまたは複数の直列に接続された増 幅器（９，１３）が接続されており。

さらに導電率の変化する構成素子（１８，１９）が入力側（１）に接続されてお り、当該構成素子の別の端子は別の演算増幅器（２１）の入力側と接続されてお り、当該演算増幅器の出方側には１つまたは複数の直列に接続された増幅器（６ ，２９）が接続されており、 前記構成素子（１８，１９）の導電率は、第１の電流分路の増幅器（２）の出方 信号に依存して、電流強度の比較的に大きい電流の際に信号線路（１）が構成素 子（１８，１９）を介して別の演算増幅器（２１）の入力側と接続されるように 変化することを特徴とする請求の範囲Ｗ、１項力）ら第７項まで【二記載された 方法を実施する、電子回路を用（蔦で電流を測定するための回路。

９、　増幅器の信号出力側（２，６，９なり１１．．２１．２５．２９）はマル チプレクサ（７）と接続されており、アナログ／デジタル変換器（３８）力でこ れをこ接続されている請求の範囲第８項記載の回路。

ｉｏ、構成素子（ｉｓ、１９）ｌ二対してダイオードが使用され、 該ダイオードは、演算増幅器（２１）＋こよｊＪ影形成れた別の電流分路の非反 転入力側（こお１する電圧変化によりその導電率を変化し、 差動増幅器が設けられており、該差動増幅器ｔこよって、ダイオードの順方向電 圧（二相応するエラー電圧が演算増幅器（２１）の出力側で補正される請求の範 囲第８項または第９項記載の回路。

１１、演算増幅器（２）の出力側（４）１こ番よ、別の非線形構成素子、例えば ツェナーダイオードとアースされた抵抗（３６）を備えた線路（３３）力（接続 されており、当該非線形構成素子をよン寅算増幅器（２１）の非反転入力側にお ）Ｘて電圧定イヒを惹起する請求の範囲第８項から第１０項までのし）ずれ力） １項記載の回路。

１２、少な（とも１つの増幅器分路、例え（ｆ第１の演算増幅器（２）の出力側 （４）と、マルチプレクサ（７）の入力側またはこれに接続された増幅器（９） の入力側との間にローパスフィルタ（６）が配置されている請求の範囲第８項か ら第１１項までのいずれか１項記載の回路。

１３、構成素子（１８，１９）に対して少なくとも１つの電界効果トランジスタ および／またはダイオードが使用され、 電界効果トランジスタは演算増幅器（２）または先行する段の１つの出力側（４ ）によりその導電率が変化される請求の範囲第８項から第１２項までのいずれか １項記載の回路。

１４、演算増幅器（２，２１）に対するフィードバンク素子の少な（とも１つは 分圧器を介して演算増幅器出力側に接続されている範囲第８項から第１３項まで のいずれか１項記載の回路。

１５、　演算増幅器（２，２１）に対するフィードバック素子（３，２２）の少 なくとも１つに対してコンデンサが゛使用される請求の範囲第２項記載の測定方 法を実施するための回路。

１６、演算増幅器（２，２１）に対するフィードバック素子（３，２２）の少な くとも１つに対して、対数特性曲線を得るために特性曲線素子、例えばダイオー ドが使用される請求の範囲第７項記載の測定方法を実施するための回路。

国際調査報告 １＋　ｍｌ＋＋、＋＋＋　ＰＣＴ／ＥＰ　９２１０２３６３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．　電流の測定方法において、 非常に電流強度の小さな電流を直列に配置された増幅器（２、９、１３）を用い て少なくとも一度増幅し、 当該増幅器の出力側（４、１１、１４）にて測定値を形成するため信号を種々異 なる電流領域から取り出し、 比較的に大きな電流強度の電流を１つまたは複数の構成素子（１８、１９）を介 して、少なくとも１つの別の電流分路に導通し、 ここで前記構成素子の導電率は変化するものであり、また前記別の電流分路は比 較的に高い電流に対するものであり、 前記構成素子（１８、１９）の導電率の変化度を先行する段の１つの増幅器出力 信号（４）から導出し、 増幅器（２）の当該増幅器出力信号（４）を、構成素子（１８、１９）が十分な 導電率を有するまで変化させ、 前記別の電流分路の入力電位は、比較的に高い電流が流れる間、やや異なる電圧 を有し、比較的に高い電流に対する電流分路は、別の電流領域に対する測定値を 形成するため少なくとも１つの出力側（２３）を有することを特徴とする電流測 定方法。 ２．　増幅器の電流領域出力側（４、１１、１４および２６、３１ないし２３、 ３７）から送出される信号はマルチプレクサに供給され、 アナログ／デジタル変換器（３８）が、ソフトウェアルーチンでさらなる処理お よびマルチプレクサの制御に使用される電流を変換する請求の範囲第１項記載の 方法。 ３．　電流強度の小さな電流を第１の演算増幅器（２）の入力側に供給し、 演算増幅器の電圧出力信号をマルチプレクサ（７）に直接および増幅器（９）に 供給し、 比較的に大きな電流強度の電流を構成素子（１８、１９）の導電率の低減によっ て、第１の演算増幅器（２）に供給される一定成分と、別の電流分路に供給され る過剰成分とに分割し、 増幅器（２、９、１３および２５、２９ないし２１）の信号領域出力側（４、１ １、１４および２６、３１ないし２３、３７）から送出された信号をマルチプレ クサ（７）に供給する請求の範囲第１項または第２項記載の方法。 ４．　電流強度の比較的に小さな電流を第１の演算増幅器（２）の入力側に供給 し、 電流強度の比較的に大きな電流を構成素子（１８、１９）の導電率の低減および 構成素子（３）の導電率の増大によリ完全にまたはほぼ完全に別の電流分路に供 給する請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１項記載の方法。 ５．　入力電流がない場合、領域出力側から送出されるすべての値を測定し記録 し、 後での入力電流の測定の際、当該値をオフセット値として減算する請求の範囲第 １項から第４項までのいずれか１項記載の方法。 ６．　エラー電圧を演算増幅器（２１）の出力側（２３）にてマルチプレクサ（ ７）に供給し、エラーをソフトウェアで補正する請求の範囲第１項から第５項ま でのいずれか１項記載の方法。 ７．　第１の演算増幅器（２）の入力側は信号入力側（１）を形成し、 当該演算増幅器（２）の出力側（４）に１つまたは複数の直列に接続された増幅 器増幅器（９、１３）が接続され、 構成素子（１８、１９）が演算増幅器（２）の先行する段の１つの出力側（４） に接続されており、信号入力側は電流の電流強度が比較的に大きな場合、導通し ている構成素子（１８、１９）を介して別の演算増幅器（２１）の入力側と接続 されることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項までに記載された方法を実 施するための回路。 ８．　増幅器の信号出力側（４、１１、１４および２６、３１ないし２３、３７ ）はマルチプレクサ（７）と接続されており、アナログ／デジタル変換器（３８ ）がこれに接続されている請求の範囲第７項記載の回路。 ９．　構成素子（１８、１９）に対してダイオードが使用され、 該ダイオードは、演算増幅器（２１）により形成された別の電流分路の非反転入 力側における電圧変化によりその導電率を変化し、 差動増幅器が設けられており、該差動増幅器によって、ダイオードの順方向電圧 に相応するエラー電圧が演算増幅器（２１）の出力側で補正される請求の範囲第 ７項または第８項記載の回路。 １０．　演算増幅器（２）の出力側（４）には、別の非線形構成素子、例えばツ ェナーダイオードとアースされた抵抗（３６〕を備えた線路（３３）が接続され ており、当該非線形構成素子は演算増幅器（２１）の非反転入力側において電圧 変化を惹起する請求の範囲第７項から第９項までのいずれか１項記載の回路。 １１．　少なくとも１つの増幅器分路、例えば第１の演算増幅器（２）の出力側 （４）と、マルチプレクサ（７）の入力側またはこれに接続された増幅器（９） の入力側との間にローパスフィルタ（６）が配置されている請求の範囲第７項か ら第１０項までのいずれか１項記載の回路。 １２．　演算増幅器（２、２１）に対するフィードバック素子（３、２２）の少 なくとも１つに対してコンデンサが使用される請求の範囲第７項から第１１項ま でのいずれか１項記載の回路。 １３．　演算増幅器（２、２１）に対するフィードバック素子（３、２２）の少 なくとも１つに対して、対数特性曲線を得るために特性曲線素子、例えばダイオ ードが使用される請求の範囲第７項から第１２項までのいずれか１項記載の回路 。 １４．　構成素子（１８、１９）に対して少なくとも１つの電界効果トランジス タおよび／またはダイオードが使用され、 電界効果トランジスタは演算増幅器（２）または先行する段の１つの出力側（４ ）によりその導電率が変化される請求の範囲第７項から第１３項までのいずれか １項記載の回路。 １５．　演算増幅器（２、２１）に対するフィードバック素子の少なくとも１つ は分圧器を介して演算増幅器出力側に接続されている範囲第７項から第１４項ま でのいずれか１項記載の回路。