JPH10510367A - 改良型電荷速度電位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 開示されている電位計（１００）は、積分増幅器（１２、１６）と、電子的に制御されるスイッチ（１１０、１１１、１１２、１１３）とを含む。スイッチ（１１０、１１１、１１２、１１３）が閉じられると、電位計（１００）は、リセットすなわちクリアされ、スイッチ（１１０、１１１、１１２、１１３）が開いていると、増幅器（１１２、１６）は、積分器として動作する。スイッチ（１１０、１１１、１１２、１１３）は、スイッチ（１１０、１１１、１１２、１１３）とこの増幅器の入力（１１２、１６）との間の漏れ電流を実質的に除去するように構成されている。電位計（１００）は、非常に小さな入力電流に対しても動作し、広いダイナミック・レンジに亘って動作する。

Description

【発明の詳細な説明】 改良型電荷速度電位計発明の分野 本発明は、広くは、イオン電流を測定する電荷速度電位計（charge rate elec trometer）に関する。更に詳しくは、本発明は、非常に低い入力電流レベルで動 作し広いダイナミック・レンジを有する電荷速度電位計に関する。発明の背景 イオン電流を測定する様々な電位計が知られているが、アナログ入力電流信号 を出力電圧信号に変換する回路の形態をとることが多い。出力電圧信号は、アナ ログ信号又はデジタル信号であり得るが、後者の場合には、電位計は、アナログ ・デジタル・コンバ−タの形態として機能する。電位計は、非常に低い（例えば 、１Ｅ−７トル（Torr）から１Ｅ−２トル）気体圧力を測定するのに用いられる 圧力トランスデュ−サにおいてなど、多くの応用を有する。このような圧力トラ ンスデュ−サは、時には、圧力を表すイオン電流信号を発生するイオン・ゲ−ジ （例えば、「ホット・カソ−ド」、「コ−ルド・カソ−ド」又は「部分的圧力」 タイプなど）を含む。このようなトランスデュ−サでは、イオン・ゲ−ジは、低 圧の気相環境の中に閉じこめられ、その中で電子を放出するが、各電子は、気体 分子と衝突するある確率を有し、この確率は、気体の密度と関係している。電子 と気体分子との間のそれぞれの衝突はイオンを発生し、衝突全部からのイオンが 、集められ、コレクタ電流（Collector current）として出力される。イオン・ ゲ−ジは、電流源としてモデル化することができ、ゲ−ジのコレクタ電流出力は 、放出電流（すなわち、ゲ−ジによって放出された電子の数）と気体の密度との 関数であり、従って、気体の圧力を示す。コレクタ電流は、電位計の入力に与え られ、電位計は、それに対して、測定された圧力を表す電圧信号を発生する。こ のような圧力トランスデュ−サは、また、例えば、測定された圧力に応答して弁 を調整する制御信号を発生する後処理（post processing）要素も有している。 図１は、従来技術による電位計１０の回路図である。電位計１０は、CURRENT- IN及びSET/RUNの２つの入力信号を受け取り、１つの出力信号VOUTを発生する。 入力信号CURRENT-INは、電流源（図示せず）によって供給される電流信号であっ て、イオン・ゲ−ジが発生するコレクタ電流であり得る。入力信号SET/RUNは、 制御信号であり、電位計１０は、このSET/RUN信号の状態に依存して、「ラン」 （動作、run）モ−ド又は「セット」（設定、set）モ−ドのどちらかで動作する 。典型的には、何らかの形式のコントロ−ラ（図示せず）が、入力信号SET/RUN を発生する。ラン・モ−ドで動作しているときには、電位計１０は、出力電圧信 号VOUTを、VOUTの値が入力電流信号CURRENT-INの時間積分を表すように、発生す る。電位計１０は、セット・モ−ドで動作し、電位計１０を「リセット」（又は 、「クリア」又は「初期化」）する。 電位計１０は、（反転入力、非反転入力及び出力を有する）演算増幅器１２と 、２つのコンデンサ１４、１６と、２つの電子的に制御されるスイッチ１８、２ ０とを含む。コンデンサ１４とスイッチ１８とは、増幅器１２の非反転入力とグ ランドとの間に並列に結合されている。コンデンサ１６とスイッチ２０とは、増 幅器１２の出力と反転入力との間に並列に結合されている。入力信号CURRENT-IN は、抵抗２２を介して、増幅器１２の非反転入力まで伝送され、入力信号SET/RU Nは、スイッチ１８、２０の制御入力まで伝送される。 動作においては、コントロ−ラ（図示せず）は、入力信号SET/RUNを用いてス イッチ１８、２０の状態を制御する。スイッチ１８、２０が閉じられると、電位 計１０は、セット・モ−ドで動作し、スイッチ１８、２０が開いていると、電位 計１０はラン・モ−ドで動作する。コントロ−ラは、SET/RUN信号を論理ハイ値 （例えば、５ボルト）に設定することによって、スイッチ１８、２０を閉じ、SE T/RUN信号を論理ロ−値（例えば、グランド）に設定することによって、スイッ チ１８、２０を開く。 スイッチ１８、２０が閉じられると(すなわち、電位計１０がセット・モ−ド で動作するときには)、スイッチ１８は、増幅器１２の非反転入力をグランドに 結合し、それによって、コンデンサ１４の上に蓄積されたすべての電荷をクリア し、スイッチ２０は、増幅器１２の出力を増幅器１２の反転入力に結合し、それ によって、コンデンサ１６の上に蓄積されたすべての電荷をクリアする。 スイッチ１８及び２０が開いているときは（すなわち、電位計１０がラン・モ −ドで動作するときには)、増幅器１２は、広く知られた積分増幅器として動作 し、それによって、出力電圧信号VOUTは、コンデンサ１４及び１６のキャパシタ ンスと入力電流信号CURRENT-INの時間積分とに関係しその関数となる。コンデン サ１４及び１６のキャパシタンス値は既知であり固定されているから、入力電流 信号CURRENT-INの値は、出力電圧信号VOUTに比例し、それをモニタすることによ って、決定することができる。 図２Ａから図２Ｃは、電位計１０の理想化された動作を図解するグラフである 。図２Ａは、入力電流信号CURRENT-INに対する例示的な波形を図解する、時間の 経過に対する電流を表すグラフである。この波形は、ゼロ・アンペアにおいて開 始し時間ｔ₀でＩ₀の電流値まで増加し、その後はすべての時間に対して値Ｉ₀に 留まるステップ関数である。図２Ｂは、入力制御信号SET/RUNに対する例示的な 波形を図解する、時間の経過に対する電圧を表すグラフである。図２Ｃは、結果 的な出力電圧信号VOUTを図解する、時間の経過に対する電圧を表すグラフである 。図２Ａから図２Ｃからわかるように、入力信号SET/RUNが論理ハイ値に設定さ れているときには、電位計１０はセット・モ−ドで動作し、出力電圧信号VOUTは グランドに設定され、入力信号SET/RUNが論理ロ−値に設定されているときには 、電位計１０はラン・モ−トで動作し、出力電圧信号VOUTは、入力電流信号CURR ENT-INの時間積分の関数として増加する。 従来技術の電位計に伴う問題の１つは、図１に示されているタイプのものであ って、すなわち、従来技術による電位計は、入力電流信号が非常に小さいときに は正確に機能しないことである。例えば、電位計１０に印加される入力信号CURR ENT-INが１ｐＡ（ピコ・アンペア）のオ−ダ−である場合には、スイッチ１８及 び２０における漏れ電流が（更に、これらのスイッチの寄生キャパシタンスと抵 抗値も）増幅器１２の動作に著しく影響し、それによって、出力信号VOUTが入力 信号CURRENT-INの信頼できるインジケ−タではなくなる。類似の理由により、図 １に示されたタイプの従来技術による電位計は、典型的には、広いダイナミック ・レンジに亘って正確に機能することはない。 図１に示されたタイプの従来技術による電位計のダイナミック・レンジと信号 感度とを改善するために、複数の技術が試みられてきている。ある形式の従来技 術による電位計では、異なる利得を有する複数の増幅器を含み得る浮動点増幅器 として知られている増幅器と、利得を入力信号のレベルの関数として選択し入力 信号のより広いダイナミック・レンジに亘って信頼できる動作を与える「利得切 り換え（スイッチング）」技術とを用いている。しかし、このタイプの電位計は 、一般的に有効ではない。その理由は、用いられるリレ−が高価であり、故障ま での平均時間が比較的短く、不安定な比較的大きな抵抗を用いているからである 。別の形式の従来技術による電位計では、Ｐ−Ｎ接合の対数的な特性を利用して 、広いダイナミック・レンジに亘って動作する対数的な増幅器を提供する。この タイプの電位計は、広いダイナミック・レンジに亘って動作するが、複数の増幅 器を用いているために高価であって効果的ではなく、また、一般的に、比較的精 度が低い。 一般的に、これらの従来技術による電位計は、複数の短所を有している。従来 の電位計は、多数の電気的素子を用いた複雑な回路であり、従って、製造コスト が高価であり、また、様々なノイズ源の影響を被りやすいので用途が限定される 。特に非常に小さな入力信号レベルに対する利用は困難である。また、デジタル ・コンピュ−タなどのデジタル回路にはそのままでは印加され得ないアナログ出 力信号を生じることが多い。従って、入力信号の広いダイナミック・レンジに亘 って正確であり、非常に小さな入力信号レベルに対しても信頼性をもって動作し 得る安価な電位計に対する必要性が存在している。また、デジタル出力信号を発 生するそのような電位計に対する必要性も存在する。発明の目的 本発明の目的は、従来技術に付随する上述の問題点を実質的に減少させるすな わち克服することである。 本発明の別の目的は、改良された電位計を提供することである。 本発明の別の目的は、従来技術によるものよりも正確であると信じられる改良 型の電位計を提供することである。 本発明の更に別の目的は、非常に小さな入力電流信号に対しても動作する改良 型の電位計を提供することである。 本発明の更に別の目的は、入力信号の非常に広いダイナミック・レンジに亘っ て信頼性をもって動作する改良型の電位計を提供することである。 本発明の更に別の目的は、１ｐＡから１００μＡまでのレンジの入力電流信号 レベルに対して動作する改良型の電位計を提供することである。 本発明の更に別の目的は、イオン・ゲ−ジと共に用いて正確な圧力トランスデ ュ−サを作成する改良型の電位計を提供することである。 本発明の更に別の目的は、その出力が所定のスレショルドを超えるのに要する 時間を測定することによって動作される改良型の電荷速度電位計を提供すること である。 本発明の更に別の目的は、その入力を保護する素子を含む改良型の電位計を提 供することである。 本発明の更に別の目的は、その電位計を選択的にリセットしその電位計がラン ・モ−ドで動作することを選択的に可能にするリセット・デバイスと、リセット ・デバイスとその電位計の入力との間の漏れ電流を実質的に除去するデバイスと を含む改良型の電位計を提供することである。 本発明の更に別の目的は、非常に低いレベルのアナログ電流をコンピュ−タの ＣＰＵが読むことができるデジタル情報に変換する信号コンバ−タを提供するこ とである。発明の概要 これらの及びこれ以外の目的は、積分増幅器と電子的に制御されるスイッチと を備えた改良型の電位計によって達成される。スイッチが閉じられると、電位計 は、リセットすなわちクリアされ、スイッチが開いていると、増幅器は、積分器 として動作する。電位計は、電子的に制御されるスイッチと積分増幅器の入力と の間の漏れ電流を実質的に除去するように構成されている。電子的に制御される スイッチは、積分増幅器の入力を保護するように構成された電界効果トランジス タを用いて実現することができる。本発明の１つの側面では、積分器によって発 生された出力は、増幅器の入力に結合された電界効果トランジスタのソ−スに印 加され、等しい電圧の信号が、これらのトランジスタのドレインに印加される。 本発明の別の側面によると、この電位計は、イオン・ゲ−ジ圧力トランスデュ −サにおいて用いることができる。圧力トランスデュ−サは、電位計、コンパレ −タ、及び電位計の出力がスレショルド電圧を超えるのに要する時間を測定する タイマを用いて、実現することができる。 本発明の更に別の目的及び効果は、当業者にとっては、以下の詳細な説明から 容易に明らかになるはずである。以下の説明では、本発明の最良の態様における 例示によって、いくつかの実施例が示され説明されている。理解されるように、 本発明は、他の異なる実施例においても実現可能であり、複数の細部を、本発明 から逸脱することなく、種々の点で修正することができる。従って、添付の図面 と以下の説明とは、性質上例示的なものと考えるべきであって、制限的ないし限 定的な意味は有しておらず、本発明の技術的範囲は、請求の範囲によって画定さ れる。図面の簡単な説明 本発明の本質と目的とをより完全に理解するために、以下の詳細な説明におい て添付の図面を参照する。図面においては、同じ又は類似の部分を示すのには、 同じ参照番号を用いている。 図１は、従来技術による電位計の回路図である。 図２Ａから図２Ｃは、図１に示された電位計の動作を図解するグラフである。 図３は、本発明に従って構成された電位計の回路図である。 図４は、本発明に従って構成された電位計の１つの実施例の詳細な回路図であ る。 図５は、本発明によって構成された圧力トランスデュ−サの回路図である。図面の詳細な説明 図３は、本発明による電荷速度電位計１００の好適実施例の１つを図解する回 路図である。後に、より詳細に論じるが、電位計１００は、非常に小さな入力信 号レベルに対しても正確に動作し、また、入力信号の広いダイナミック・レンジ に亘って正確に動作する。更に詳細にいえば、このデバイスは、下は少なくとも １ｐＡ（ピコ・アンペア）程度から、上は少なくとも１００μＡ（マイクロ・ア ンペア）程度までの範囲の入力信号を受け取るのに特に好ましく適している。電 位計１００は、１Ｅ−１０トルから１Ｅ−２トルまでの範囲の圧力を感知する圧 力トランスデュ−サを構成するのに用いることができる。便宜のために、以下の 説明では、電位計１００の動作を、ホット・カソ−ド・イオン・ゲ−ジ圧力トラ ンスデュ−サにおけるその利用との関係で論じることにするが、当業者であれば 、この応用が単なる一例であり、電位計１００は、他のタイプのイオン・ゲ−ジ 圧力トランスデュ−サでも用いることができるし、低レベルの電流信号を処理す るそれ以外の応用も可能であるということを理解するはずである。 電位計１００は、演算増幅器１２、入力コンデンサ１４、フィ−ドバック・コ ンデンサ１６、入力抵抗２２を含み、図示されているように、これらは、図１に 示したものと類似の積分増幅器を形成するように構成されている。電位計１００ は、更に、４つのトランジスタ１１０−１１３（それぞれが、ゲ−ト、ソ−ス及 びドレインを有している）と、２つの抵抗１２０、１２２とを含む。システム基 準電位を受け取る入力端子SET/RUNは、４つのトランジスタ１１０−１１３のゲ −トに結合され、入力電流端子CURRENT-INは、増幅器１２の非反転入力に、抵抗 ２２を介して、結合されている。トランジスタ１１０のドレインは、増幅器１２ の非反転入力に結合され、トランジスタ１１１のドレインは、グランドに結合さ れている。トランジスタ１１０及び１１１のソ−スは、相互に結合され、抵抗１ ２０は、増幅器１２の出力とトランジスタ１１０−１１１のソ−スとの間に結合 されている。トランジスタ１１２のドレインは、増幅器１２の反転入力に結合さ れ、トランジスタ１１３のドレインは、増幅器１２の出力に結合されている。ト ランジスタ１１２及び１１３のソ−スは、相互に結合され、抵抗１２２は、増幅 器１２の出力とトランジスタ１１２−１１３のソ−スとの間に結合されている。 好ましくは、後で明らかになる理由により、抵抗１２０及び１２２は、整合され ている。 コントロ−ラ（図示せず）が、SET/RUN信号を論理ハイ値（例えば、５ボル ト）に駆動し、電位計１００をセット・モ−ドで動作させ、それによって、電位 計１００をリセットする。セット・モ−ドでは、すべての４つのトランジスタ１ １０−１１３が導通状態（又は、「オン」状態、又は、「閉じた」状態）にあり 、それによって、それぞれのトランジスタは、ソ−ス・ドレイン間に低インピ− ダンス経路を提供する。セット・モ−ドでは、トランジスタ１１０−１１１は、 従って、増幅器１２の非反転入力とグランドとの間に低抵抗経路を提供し、それ によって、コンデンサ１４上に蓄積されたすべての電荷をクリアする。同様にし て、セット・モ−ドでは、トランジスタ１１２−１１３は、増幅器１２の反転入 力と出力との間に低抵抗経路を提供し、それによって、コンデンサ１６上に蓄積 されたすべての電荷をクリアする。 コントロ−ラ（図示せず）が、SET/RUN信号を論理ロ−値（例えば、グランド ）に駆動し、電位計１００をラン・モ−ドで動作させる。ラン・モ−ドでは、す べての４つのトランジスタ１１０−１１３は、非導通状態（又は、「オフ」状態 、又は、「開いた」状態）にあり、それによって、それぞれのトランジスタは、 ソ−ス・ドレイン間に高インピ−ダンス経路を提供し、従って、増幅器１２が積 分増幅器として動作することが可能になる。従来技術による電位計とは異なり、 電位計１００は、増幅器１２の入力を「保護」するように構成されているので、 増幅器１２の入力に流れ込む又はそこから流れ出るすべての漏れ電流を実質的に 減少すなわち除去する。 ラン・モ−ドでは、４つのトランジスタのすべてが非導通状態であるから、入 力電流信号CURRENT-INは、コンデンサ１４の両端に電圧を生じさせる、従って、 増幅器１２の非反転入力における電圧をグランドから遠ざける傾向を有する。演 算増幅器技術の分野の当業者であれば理解することであるが、増幅器１２は、そ の非反転入力における電圧と等しい電圧を出力（VOUT）において生じ、この電圧 は、また、増幅器１２の反転入力においても生じる。これは、演算増幅器は、入 力の間の電位差を最小化する傾向を有するからである。従って、ラン・モ−ドで の動作の間は、増幅器１２の出力、反転入力及び非反転入力における電圧は、す べて、実質的にVOUTに等しい。信号VOUTはまた、抵抗１２０、１２２を介してト ランジスタ１１０−１１３のソ−スにも印加されるので、トランジスタ１ １０、１１２−１１３のソ−ス及びドレインにおける電圧レベルは、実質的に等 しい。トランジスタ１１０のソ−ス及びドレインにおける電圧は実質的に等しい ので、このトランジスタを電流が流れる傾向はほとんど又は全くなく、従って、 トランジスタ１１０と増幅器１２の非反転入力との間を流れるすべての漏れ電流 は、実質的に除去される。同様にして、トランジスタ１１２のソ−ス及びドレイ ンにおける電圧は実質的に等しいので、トランジスタ１１２と増幅器１２の反転 入力との間を流れるすべての漏れ電流は、実質的に除去される。これらの漏れ電 流が実質的に除去されるので、電位計１００は、入力電流信号CURRENT-INの値が 非常に小さい（すなわち、１ピコ・アンペア程度の）ときでも、正確に動作する 。それぞれのトランジスタ１１０−１１３が１ピコ・アンペアよりも大きな漏れ 電流を有するように定格化されている場合でも、そのように小さな入力電流信号 レベルに対して電位計１００の正確な動作が可能であるが、その１つの理由は、 それぞれのトランジスタが、任意のそのような漏れ電流を実質的に減少させるよ うにバイアスされているからである。 好適実施例では、トランジスタ１１０−１１３は、電界効果トランジスタ（Ｆ ＥＴ）として実現されるが、ＤＭＯＳタイプのＦＥＴとして実現することもでき 、また、コンデンサ１４及び１６は、ＮＰＯタイプのコンデンサとして実現され る。１つの好適実施例では、４つのトランジスタ１１０−１１３は、単一のＳＤ ５４００集積回路（米国カリフォルニア州サンタクララ所在のSILICONIX社製造 ）を用いて実現することができ、増幅器１２は、ＯＰＡ１２８"can"タイプのパ ッケ−ジ（米国アリゾナ州タクソン所在のBURR BROWN社製造）を用いて実現する ことができ、コンデンサ１４及び１６は、それぞれが、１００ｐＦのコンデンサ である。図４は、この実施例の詳細な回路図である。 別の実施例では、電位計１００は、トランジスタを３つだけ含み、トランジス タ１１３が除かれる。この実施例では、トランジスタ１１２のドレインは増幅器 １２の反転入力に結合され、トランジスタ１１２のソ−スは抵抗１２２を介して 増幅器１２の出力に結合され、トランジスタ１１２のゲ−トは入力信号SET/RUN 端子に結合される。この実施例もまた、トランジスタ１１２と増幅器１２の反転 入力との間を流れる漏れ電流を実質的に除去しているが、その理由は、電位計１ ００がラン・モ−ドで動作する際には、トランジスタ１１２のソ−ス及びドレイ ンにおける電圧が、共に、VOUTに等しいからである。ＳＤ５４００は４つのトラ ンジスタを含んでいるから、このチップを用いている実施例では、４つのトラン ジスタ１１０−１１３のすべては用いないことの利点はほとんどないが、他の実 施例では、トランジスタを１つ除くことは意味がある。 図５は、電荷速度電位計電流をパルス幅コンバ−タに与えてイオン・ゲ−ジ１ ５６の低い電流出力をコンピュ−タのＣＰＵが読むことができるデジタル情報に 変換するためのコンパレ−タ１５２及びマイクロプロセッサ１５４に加え、電位 計１００を含む圧力トランスデュ−サ１５０の１つの好適実施例を示す回路図で ある。イオン・ゲ−ジ１５６は、このゲ−ジによって測定された気体密度を表す イオン・コレクタ電流信号を、電位計１００の入力電流信号CURRENT-IN端子に供 給する。電位計１００の電圧出力VOUTは、コンパレ−タ１５２の負の入力に印加 され、コンパレ−タ１５２の正の入力は、既知で所定の電位に設定されている電 圧THRESHOLDを受け取るように接続されている。コンパレ−タ１５２の出力は、 マイクロプロセッサ１５４の入力に結合され、このマイクロプロセッサの出力は 、SET/RUN入力信号を、電位計１００に供給する。 動作においては、マイクロプロセッサ１５４は、最初に、SET/RUN信号を論理 ハイ値に設定して電位計１００をリセットし、すなわち、コンデンサ１４及び１ ６をクリアし、次に、時間ｔ₁において、SET/RUN信号を論理ロ−値に設定して、 電位計１００がラン・モ−ドで動作することを可能にする。当初は、コンパレ− タ１５２の負の入力における電圧（すなわち、VOUTの値）は、正の入力における 電圧（すなわち、THRESHOLDの値）よりも小さく、従って、コンパレ−タ１５２ の出力は、正の信号である。時間が経過するにつれて、VOUTの値は、入力電流信 号CURRENT-INの値に応答して上昇し、結果的に、時間ｔ₂では、VOUTの値は、THR ESHOLDの値よりも大きくなり、コンパレ−タ１５２の出力は、状態を負の信号に 変化させる。VOUTの値は入力電流信号CURRENT-INの時間積分に関係するので、CU RRENT-IN信号の値は、VOUTがTHRESHOLDよりも大きくなるのに要する時間（すな わち、ｔ₁からｔ₂までの時間間隔）を測定することによって計算することができ る。マイクロプロセッサ１５４は、この時間を測定し、 時間ｔ₁から時間ｔ₂までの間の入力電流信号CURRENT-INの平均値を表すデジタル 出力OUTを発生する。また、この電流は気体の圧力を示しているので、マイクロ プロセッサ１５４は、測定された圧力を直接的に表すように、信号OUTを発生す ることもできる。ある好適実施例では、マイクロプロセッサ１５４は、次の方程 式（１）に従って測定された圧力を表すように、信号OUTを発生する。 OUT = C(THRESHOLD)/SI_e(t₂-t₁) (1) ただし、ここで、ｃは、コンデンサ１４のキャパシタンス、THRESHOLDは、スレ ショルド電圧、ｓは、イオン・ゲ−ジ１５６の感度(sensitivity)、Ｉ_eは、イオ ン・ゲ−ジ１５６の放出電流（emission current）である。広く知られているよ うに、イオン・ゲ−ジの感度は、コレクタ電流に放出電流と圧力との積の逆数を 乗算することによって計算される。ただし、これらの量は、既知の気体圧力に対 して測定されたものである。トランスデュ−サ１５０のある好適実施例では、イ オン・ゲ−ジ１５６は、９／Ｔｏｒｒ^-1の感度Ｓを有する。 好適なラン・モ−ドでは、マイクロプロセッサ１５４は、電位計１００をリセ ットして信号OUTを複数回計算するという基本動作を迅速に連続的に反復し、OUT に対する最後のＮ回計算された値の平均に等しいAVE-OUTを発生する。ここで、 Ｎは、５などの整数である(これ以外の整数も、もちろん、用いることができる) 。このモ−ドでは、信号OUTは、瞬間的な圧力の測度（measure）と考えることが でき、信号AVE-OUTは、瞬間的な圧力測定値の継続的な（running）平均である。 信号THRESHOLDに対する１つの好適な値は、１００ｍＶ（ミリボルト）である 。CURRENT-IN信号の値が１ｐＡのオ−ダ−であるときには、VOUTがグランドから １００ｍＶまで上昇するには約１０秒かかるので、非常に小さな入力電流レベル に対しては、トランスデュ−サ１５０は、約１０秒に１回の割合で新たな測定を 行う。CURRENT-IN信号の値が１００μＡのオ−ダ−であるときには、VOUTがグラ ンドから１００ｍＶまで上昇するには僅かに約１００ｎｓ（ナノ秒）しかかから ない。マイクロプロセッサ１５４が１００ｎｓ程度の短い時間間隔を測定するの は一般に難しいので、トランスデュ−サ１５０は、好ましくは、THRESHOLD信号 の値を、第２のより高い値まで上昇させて、より高い入力電流 レベルを測定する。THRESHOLDに対する好適な第２の値は５００ｍＶであり、入 力電流が１００μＡであるときには、VOUTがグランドから５００ｍＡまで上昇す るのには、約５００ｎｓかかる。マイクロプロセッサ１５４は１００ｎｓのオ− ダ−の間隔を測定する場合よりも５００ｎｓのオ−ダ−の間隔を測定する場合の 方が正確な測定が可能であるが、５００ｎｓは、依然として、マイクロプロセッ サ１５４が正確に測定するには比較的短い間隔である。より高い入力電流レベル に対するトランスデュ−サ１５０の精度を改善する１つの好適な方法は、マイク ロプロセッサ１５４を、「平均化ル−プ」（averaging loop）モ−ドで動作させ ることである。このモ−ドでは、マイクロプロセッサ１５４は、最後のＭ回の測 定の継続平均になるように、連続的に圧力を測定しOUT信号を発生する。Ｍに対 する１つの好適な値は１００であり、この場合には、この動作モ−ドは、「１０ ０回ル−プ」モ−ドと称される。ただし、Ｍに対しては、これ以外の値を用いる ことももちろん可能である。より高い入力電流レベルに対して回路１５０の精度 を改善する別の方法は、THRESHOLD信号に対して、更に高い値を用いることであ る。 好適な動作モ−ドでは、マイクロプロセッサ１５４は、測定された圧力に基づ いて、THRESHOLDに対する値を自動的に選択する。トランスデュ−サ１５０の精 度を改善するためにマイクロプロセッサ１５４が制御することができる更に別の 変数は、イオン・ゲ−ジの放出電流である。好適な動作モ−ドでは、トランスデ ュ−サのレンジの下端に近い圧力（例えば、１Ｅ−１０トルから１Ｅ−７トル） を測定するためには、マイクロプロセッサ１５４は、放出電流を高い値（例えば １ｍＡ）に設定し、THRESHOLD信号を低い値（例えば１００ｍＡ）に設定する。 トランスデュ−サの中間的なレンジに近い圧力（例えば、１Ｅ−７トルから１Ｅ −４トル）を測定するためには、マイクロプロセッサ１５４は、放出電流をより 低い値（例えば１００μＡ）に設定し、THRESHOLD信号を上述の低い値（例えば １００ｍＡ）に維持する。トランスデュ−サのレンジの上端に近い圧力（例えば 、１Ｅ−４トルから１Ｅ−２トル）を測定するためには、マイクロプロセッサ１ ５４は、放出電流を上述のより低い値（例えば１００μＡ）に維持し、THRESHOL D信号をより高い値（例えば５００ｍＡ）に設定する。マイクロプロ セッサ１５４は、測定された圧力に基づいて、これらの３つの設定の間で自動的 に切り換わる。マイクロプロセッサ１５４は、また、好ましくは、ヒステリシス を用いて、これらの設定の間で切り換わるべきかどうかを判断し、それによって 、トランスデュ−サは、圧力が任意の与えられた値で停止するときでも、混乱す ることがなくなる。例えば、マイクロプロセッサ１５４は、好ましくは、中間的 なレンジの１つの圧力（例えば、１Ｅ−６トル）において、より高い放出電流か らより低い放出電流に切り換わり、それよりも低い圧力（例えば、１Ｅ−８トル ）において、そのより低い放出電流からより高い放出電流に切り換わる。従って 、圧力が１Ｅ−６トル程度で停止する場合には、トランスデュ−サは、最大で１ 回しか設定を切り換えないことになる。 このようにして、非常に小さい入力電流信号を測定し、入力信号の大きなダイ ナミック・レンジに亘って動作するように構成された改良型の電位計が提供され る。この電位計は、イオン・ゲ−ジ圧力トランスデュ−サにおいても容易に用い ることができる。この電荷速度電位計は、好ましくは、この電位計の出力が所定 の電圧スレショルドを超えるのに要する時間を測定することによって、動作され る。好ましくはトランジスタ１１０−１１３の形態の構成要素が、SET/RUN入力 とCURRENT-IN入力とを含むこのデバイスに入力を保護するために、与えられる。 図５のトランスデュ−サ１００は、電荷速度電位計電流をパルス幅コンバ−タに 与え、低いレベルの電流をコンピュ−タのＣＰＵが読むことができるデジタル情 報に変換する。 上述の装置に対しては、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、複数の変 更を行うことが可能であるから、上述の説明と添付の図面とに含まれるすべての 事柄は、例示的であって制限的ではないものと解釈すべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（Ａ）第１の増幅器入力端子と増幅器出力端子とを有しており、前記第１ の増幅器入力端子において入力電流信号を受け取り、前記増幅器出力端子におい て前記入力電流信号を表す出力電圧信号を発生する増幅手段と、 （Ｂ）前記第１の増幅器入力端子とシステム基準電位との間に結合されており 、セット・モ−ドでは、前記第１の増幅器入力端子と前記システム基準電位との 間に低インピ−ダンス経路を提供し、ラン・モ−ドでは、前記第１の増幅器入力 端子と前記システム基準電位との間に高インピ−ダンス経路を提供するように動 作する第１のリセット手段と、 （Ｃ）前記第１のリセット手段が前記ラン・モ−ドにおいてその漏れ電流に起 因するエラ−を実質的に除去するように動作するときには、前記第１の増幅器入 力端子と前記第１のリセット手段との間の漏れ電流を実質的に除去する手段と、 を備えていることを特徴とする電位計。 ２．請求項１記載の電位計において、前記増幅手段は、前記第１の増幅器入力 端子と前記システム基準電位との間に結合された第１の積分手段を更に備えてい ることを特徴とする電位計。 ３．請求項２記載の電位計において、前記第１の積分手段は、コンデンサを備 えていることを特徴とする電位計。 ４．請求項２記載の電位計において、前記増幅手段は、第２の増幅器入力端子 と、この増幅器手段が積分増幅器として機能するように前記第２の増幅器入力端 子と前記増幅器出力端子との間に結合された第２の積分手段とを更に備えている ことを特徴とする電位計。 ５．請求項４記載の電位計において、前記第２の積分手段は、コンデンサを備 えていることを特徴とする電位計。 ６．請求項４記載の電位計において、前記第２の増幅器入力端子と前記増幅器 出力端子との間に結合されており、セット・モ−ドでは、前記第２の増幅器入力 端子と前記増幅器出力端子との間に低インピ−ダンス経路を提供し、ラン・モ− ドでは、前記第２の増幅器入力端子と前記増幅器出力端子との間に高インピ−ダ ンス経路を提供するように動作する第２のリセット手段を更に備えていることを 特徴とする電位計。 ７．請求項６記載の電位計において、前記第２のリセット手段が前記ラン・モ −ドにおいてその漏れ電流に起因するエラ−を実質的に除去するように動作する ときには、前記第２の増幅器入力端子と前記第２のリセット手段との間の漏れ電 流を実質的に除去する手段を更に備えていることを特徴とする電位計。 ８．請求項７記載の電位計において、前記増幅手段は、前記第２の増幅器入力 端子に結合された反転入力端子と、前記第１の増幅器入力端子に結合された非反 転入力端子と、前記増幅器出力端子に結合された演算出力端子とを有する演算増 幅器を含むことを特徴とする電位計。 ９．請求項７記載の電位計において、前記第１及び第２のリセット手段は制御 信号に応答して動作し、前記第１及び第２のリセット手段は、前記制御信号が第 １の状態にあるときには前記セット・モ−ドで動作し、前記制御信号が第２の状 態にあるときには前記ラン・モ−ドで動作することを特徴とする電位計。 １０．請求項９記載の電位計において、前記第１のリセット手段は、それぞれ がゲ−トとソ−スとドレインとを有する第１及び第２のトランジスタを備えてお り、前記第１及び第２のトランジスタのゲ−トは前記制御信号に結合され、前記 第１のトランジスタのドレインは前記第１の増幅器入力端子に結合され、前記第 ２のトランジスタのドレインは前記システム基準電位に結合され、前記第１のト ランジスタのソ−スは、前記第２のトランジスタのソ−スと前記増幅器出力端子 とに結合されていることを特徴とする電位計。 １１．請求項１０記載の電位計において、前記増幅器出力端子と前記第１及び 第２のトランジスタのソ−スとの間に結合された抵抗を更に備えていることを特 徴とする電位計。 １２．請求項１０記載の電位計において、前記第１及び第２のトランジスタは 電界効果トランジスタであることを特徴とする電位計。 １３．請求項１０記載の電位計において、前記第２のリセット手段は、ゲ−ト とソ−スとドレインとを有する第３のトランジスタを備えており、前記第３のト ランジスタのゲ−トは前記制御信号に結合され、前記第３のトランジスタのドレ インは前記第２の増幅器入力端子に結合され、前記第３のトランジスタのソ−ス は前記増幅器出力端子に結合されていることを特徴とする電位計。 １４．請求項１３記載の電位計において、前記第２のリセット手段は、ゲ−ト とソ−スとドレインとを有する第４のトランジスタを更に備えており、前記第４ のトランジスタのゲ−トは前記制御信号に結合され、前記第４のトランジスタの ドレインは前記増幅器出力端子に結合され、前記第４のトランジスタのソ−スは 前記第３のトランジスタのソ−スに結合されていることを特徴とする電位計。 １５．請求項１４記載の電位計において、前記増幅器出力端子と前記第３及び 第４のトランジスタのソ−スとの間に結合された抵抗を更に備えていることを特 徴とする電位計。 １６．請求項１４記載の電位計において、前記第３及び第４のトランジスタは 電界効果トランジスタであることを特徴とする電位計。 １７．（Ａ）電位計であって、 （ｉ）増幅器入力端子と増幅器出力端子とを有しており、前記増幅器入 力端子において入力電流信号を受け取り、前記増幅器出力端子において前記入力 電流信号を表す出力電圧信号を発生する積分増幅手段と、 （ｉｉ）前記増幅器入力端子とシステム基準電位との間に結合されてお り、セット・モ−ドでは、前記増幅器入力端子と前記システム基準電位との間に 低インピ−ダンス経路を提供し、ラン・モ−ドでは、前記増幅器入力端子と前記 システム基準電位との間に高インピ−ダンス経路を提供するように動作するリセ ット手段と、 （ｉｉｉ）前記リセット手段が前記ラン・モ−ドにおいてその漏れ電流 に起因するエラ−を実質的に除去するように動作するときには、前記増幅器入力 端子と前記リセット手段との間の漏れ電流を実質的に除去する手段と、 を備えている電位計と、 （Ｂ）前記リセット手段が前記ラン・モ−ド又は前記セット・モ−ドで動作す るように選択的に制御する制御手段であって、この制御手段が前記リセット手段 を前記ラン・モ−ドで動作するように制御する第１の時間と前記出力電圧信号が 所定のスレショルド電圧よりも大きくなる第２の時間との間の、前記入力電流信 号を表す時間間隔を測定する制御手段と、 を備えていることを特徴とするトランスデュ−サ。 １８．請求項１７記載のトランスデュ−サにおいて、前記制御手段は、第１の コンパレ−タ入力と第２のコンパレ−タ入力とを有するコンパレ−タを含み、前 記コンパレ−タは、前記第１のコンパレ−タ入力における信号が前記第２のコン パレ−タ入力における信号よりも大きいかどうかを示す出力信号を発生し、前記 第１のコンパレ−タ入力は前記増幅器出力端子に結合され、前記第２のコンパレ −タ入力は前記所定のスレショルド電圧に接続されていることを特徴とするトラ ンスデュ−サ。 １９．請求項１８記載のトランスデュ−サにおいて、前記制御手段は、前記コ ンパレ−タによって発生される出力信号を受け取りそれに応答して前記入力電流 信号を表すデジタル出力信号を発生するプロセッサを含むことを特徴とするトラ ンスデュ−サ。 ２０．請求項１９記載のトランスデュ−サにおいて、前記制御手段は、前記時 間間隔を連続的に少なくともＮ回測定し（Ｎは整数）、前記Ｎ回の測定のそれぞ れに対して前記入力電流信号を表す信号を発生し、前記入力電流信号の前記Ｎ回 の測定の平均を表す出力信号を発生する手段を含むことを特徴とするトランスデ ュ−サ。 ２１．請求項２０記載のトランスデュ−サにおいて、Ｎは５に等しいことを特 徴とするトランスデュ−サ。 ２２．請求項２０記載のトランスデュ−サにおいて、Ｎは１００に等しいこと を特徴とするトランスデュ−サ。 ２３．請求項１７記載のトランスデュ−サにおいて、前記増幅器入力端子に結 合されており前記入力電流信号を発生するイオン・ゲ−ジを更に含むことを特徴 とするトランスデュ−サ。