WO2020200644A1 - Verstärkervorrichtung zur verstärkung kleiner ströme - Google Patents

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Definitions

  • Amplifier device for amplifying small currents
  • the invention relates to a device and a method for amplifying small currents.
  • the measurement value is generated on the basis of currents that are generated by positively or negatively charged particles hitting an electrode.
  • the dynamic range of the occurring and to be measured ion and electron currents is very large. It often ranges from a few hundred atto-amps to a few micro-amps and thus covers several decades.
  • semiconductor switches or relays are used used to switch resistors or current paths in order to enable switching from an operating state for measuring small currents to an operating state for measuring larger currents. In all cases, this requires additional components that are connected to the sensitive input node where the smallest currents flow and have to be measured.
  • measuring devices which generate a measurable measurement potential from the particle flow, that is to say ion flow or electron flow.
  • the measuring device usually has a current amplifier, typically with an operational amplifier.
  • An electrical measuring resistor which is arranged, for example, in the feedback path of the operational amplifier, a measurable electrical potential is generated from the amplified current.
  • both the conventional amplifier and the amplifier according to the invention provide that between a sensitive operation for measuring small currents of less than 100 pA (e.g. 1 pA) and operation for Measurement of larger currents of at least 1 pA (e.g. 100 pA) is switched.
  • a sensitive operation for measuring small currents of less than 100 pA e.g. 1 pA
  • operation for Measurement of larger currents of at least 1 pA e.g. 100 pA
  • switching takes place with the aid of a relay, for example with sector field mass spectrometers.
  • a range switching cannot be dispensed with, since only high-ohmic resistances can be used for small currents and only low-ohmic components can carry the higher current for larger currents.
  • the resistance noise limits the area of application.
  • EP 0 615 669 B1 describes an amplifier in which the current signal is transmitted by means of diodes.
  • the invention is based on the object of providing an amplifier device for strengthening small currents, with which the switching to amplifying larger currents is improved, and a corresponding method is provided.
  • the amplifier device according to the invention is defined by the independent claim 1.
  • the amplifier device has a first current path for amplifying the small currents.
  • the first current path contains an input amplifier device with at least one first amplifier with at least one protective element, e.g. a protective diode, and a feedback element in a feedback path connecting the output of the input amplifier device to the inverting input.
  • a second current path which is at least partially different from the first current path, is provided and formed. At least one of the protective elements of the first amplifier is contained in the second current path.
  • an amplifier device is provided, at the input of which no further components are required for measuring larger currents than those for operation for measuring very small currents, namely the current input, the measuring resistor in the form of the feedback element and the input amplifier device with at least the first amplifier.
  • the input amplifiers used conventionally already have protective elements in the input area, such as protective diodes, which are required in the integrated circuit to protect the input circuits. According to the invention, these protective elements are used for range switching. This means that the most sensitive area for measuring the smallest currents in the circuit is as stable as if there were no other areas for measuring other current variables.
  • the input current flows through one or more of the Protective elements, which means that the input area has a low resistance even for significantly larger input currents. Since protective elements must be present in the integrated circuit of the first amplifier, not every amplifier module can be used. Both amplifier modules that have protective elements for the supply voltages and amplifier modules that have protective elements between the input lines can be used.
  • the input amplifier device has an inverting input and an output.
  • the output is connected to the inverting input of the input amplifier device via a feedback path.
  • a feedback element is contained in the feedback path.
  • the amplifiers can be operational amplifiers and / or the protective elements can be protective diodes.
  • FIG. 2 shows a detail from FIG. 1,
  • Fig. 3 shows the embodiment in a second operating state
  • Fig. 4 shows a detail from Fig. 1 and Fig. 3 according to a second embodiment, for example.
  • the amplifier device of the exemplary embodiment shown has a first operational amplifier 1 which has an inverting input 30, a non-inverting input 31, an output 34, a positive supply connection 32 and a negative supply connection 33.
  • the operational amplifier contains protective elements 18, 19, 20, 21 in this case diodes which are arranged in the manner of a bridge rectifier circuit between the inverting input 30 and the non-inverting input 31 and the two supply connections 32, 33 and connect them to one another.
  • the diodes 18, 19, 20, 21 are arranged in such a way that they lead from the negative supply connection 33 in the direction of the positive supply connection 32 and block in the opposite direction.
  • the expression “in the manner of a bridge rectifier circuit” means that the bridge branch contains the two inputs 30, 31 of the operational amplifier 1. This is based on the idea that in an ideal operational amplifier no voltage drops between the two inputs 30, 31. One end of the bridge arm is connected to the inverting input 30 and the other end to the non-inverting input 31. The differential voltage between the two inputs, which is zero in the ideal operational amplifier, is therefore part of the bridge arm.
  • the output 34 of the first operational amplifier 1 is connected to the non-inverting input 35 of a second operational amplifier 3, the output of which is connected to the inverting input 30 of the first operational amplifier 1 via a feedback branch 41.
  • the feedback path 41 contains two resistors 2, 4, between which the feedback path 41 is connected via a third switch 12 to an input 22 at which there is a voltage of a diode forward voltage of approximately 0.5 volts.
  • the output 16 of the second operational amplifier 3 is also connected via Regelele elements 5 to ground.
  • the control elements 5 consist of a resistor 5a, a capacitor 5b and a further resistor 5c. Between the capacitor 5b and the further resistor 5c, the inverting input 36 of the second operational amplifier 3 is electrically connected for its feedback.
  • the output 34 of the first operational amplifier 1 is connected via a first resistor 6a to the positive supply connection 32 of the first operational amplifier 1 and connected to the negative supply connection 33 via a second resistor 6b.
  • the negative supply connection 33 can be connected via a first switch 10 alternately to a supply voltage of -5 volts applied to the voltage source 14 or to ground.
  • the positive supply connection 32 of the first operational amplifier 1 is electrically connected to the inverting input 38 of a third operational amplifier 7, the output 17 of which is fed back via a resistor 8.
  • the resistor 8 is bridged by a diode 9, which leads in the direction from the output 17 of the third operational amplifier 7 to the positive supply terminal 32 of the first operational amplifier 1 and blocks in the opposite direction.
  • the first amplifier 1 and the second amplifier 3 form an input amplifier device 50, the two amplifiers 1, 3 forming an amplifier combination.
  • the feedback path 41 connects the output of the input amplifier combination 50 to its inverting input 30.
  • the non-inverting input 37 of the third operational amplifier 7 can optionally be connected to a voltage source 15, in the present case 5 volts, or to ground via a second electrical switch 11.
  • the first operational amplifier 1 is used as the input amplifier, the protective elements 18, 19, 20, 21 of which are provided as input protective diodes for the supply voltage. If the amplifier device is operated to measure small currents of, for example, less than 100 pA in the most sensitive range, the input current signal reaches the first operational amplifier 1 via input 13.
  • the first operational amplifier 1 receives the negative supply voltage from the voltage source 14 via the first switch 10 in the switch position shown in FIG.
  • the operational amplifier 1 receives the positive supply voltage from the voltage source 15, in the present case in the amount of +5 volts, via the second switch 11 in the switch position shown in FIG. 1 at the non-inverting input 37 of the third operational amplifier 7.
  • the output voltage at the output 17 of the third operational amplifier 7 regulates itself to a value increased by the diode forward voltage of the diode 9. As a result, the voltage that reaches the first operational amplifier 1 is as great as the voltage at the non-inverting input 37 of the third operational amplifier 7.
  • the amplifier 7 is not part of the input amplifier device 50.
  • the amplifier 7 is used to absorb larger currents at the input 13 of the input amplifier 50.
  • the input current flows through the diode 18 through the amplifier 1 directly to the input 38 of the amplifier 7. Smaller currents at the input In contrast, gear 13 are initially amplified by input amplifier device 50.
  • the third electrical switch 12 is open in this operating state shown in Fig. 1 for measuring small currents.
  • the feedback resistors 4, 2 together result in the feedback element, in the present case in the form of an electrical resistor.
  • the input 13 at the inverting input 30 of the first operational amplifier 1 represents a virtual zero point in this case, as a result of which there is no significant voltage at the input 13.
  • At the output 16 of the second operational amplifier 3 is an inverted voltage proportional to the input current of the first operational amplifier 1.
  • the protective diodes 18, 19, 20, 21 of the input amplifier are now each operated in reverse direction and thus do not carry any significant current.
  • the input amplifier device 50 comprising the first operational amplifier 1 and the second operational amplifier 3 forms a control loop.
  • the crizele elements 5 must be dimensioned depending on the cutoff frequency of the elements 5a, 5b, 5c so that the circuit remains stable, for example 120 kOhm on the electrical resistor 5a, 1 nF on the capacitor 5b and 10 kOhm on the electrical resistor 5c.
  • Fig. 1 shows the entire amplifier device
  • Fig. 2 shows the first operational amplifier 1 and the protective elements 18, 19, 20, 21 arranged therein and their electrical connection to the terminals of the first operational amplifier 1 in detail.
  • FIG. 3 shows the amplifier device in the operating state for measuring larger currents via the second current path.
  • the amplifier device is operated in an expanded current range in which the first electrical switch 10 is switched to ground potential.
  • a voltage of approximately 0 volts is applied to the negative supply connection 33 of the input amplifier.
  • the input protection elements 20, 21 continue to block.
  • the second switch 11 is also switched to ground potential. Since the third operational amplifier 7 regulates itself with its feedback resistor 8 in such a way that no significant difference voltage between the inverting input 38 and the non-inverting input 37 of the third operational amplifier amplifier 7 is applied, the positive supply of the first operational amplifier 1 at the positive supply terminal 32 will be close to 0 volts. If an input current now reaches the input connection 13, it flows through the protective diode 18 to the positive supply connection 32.
  • the third electrical switch 12 is closed in this operating state, so that the voltage applied to the terminal 22, in the present case 0.5 volts, is applied to the feedback resistor 2 in accordance with the diode flow voltage of the protective diode 18, so that as little current as possible flows through the feedback resistor 2 .
  • the second current path for larger currents at the input 13 now leads via the protective diode 18 to the feedback resistor 8 of the third operational amplifier 7.
  • An inverted voltage proportional to the input current is applied to the feedback resistor 8, which is tapped at the output 17 of the third operational amplifier 7 can.
  • the diode 9 blocks in this case.
  • the second current path for measuring larger currents then leads from the inverting input 30 of the first operational amplifier 1 via a protective diode 18 of the protective diodes 18, 19, 20, 21 to the positive supply connection 32 of the first operational amplifier 1 and from there via the feedback resistor 8 of the third operational amplifier 7 to its output terminal 17.
  • the input voltage 13 is increased by the forward voltage of the protective element 18 during operation in the current path for larger currents.
  • the ground points at the switches 10 and 11 can be lowered by the forward voltage of the protective element 18.
  • the feedback element 2 is de-energized in this case when 220 volts are applied to the input.
  • a further improvement of the second current path results when the diode 9 is divided according to FIG. In the event that the second current path has been activated, a negative voltage is present at output 17. The reverse current of the Diode falsifies the measurement. If the circuit according to FIG. 4 is supplemented, the negative voltage drops across the diode 9b. About zero volts is then applied to both sides of the diode 9a, which significantly reduces the reverse current.

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Abstract

Verstärkervorrichtung zur Aufnahme von Strömen, mit einem ersten Strompfad zur Messung kleiner Ströme von weniger als 100 pA, einer in dem ersten Strompfad enthaltenen Eingangsverstärkervorrichtung (50) mit mindestens einem ersten Verstärker (1), einem Ausgang, einem invertierenden Eingang (30), einem den Ausgang mit dem invertierenden Eingang (30) verbindenden ersten Rückkopplungspfad (41) und einem in dem Rückkopplungspfad (41) enthaltenen Rückkoppelelement (2), wobei der erste Verstärker (1) mindestens ein Schutzelement (18, 19, 20, 21) aufweist, einem zweiten Strompfad zur Messung größerer Ströme mit einem Maximalstrom von mindestens dem 10-fachen des im ersten Strompfad aufzunehmenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der Schutzelemente (18, 19, 20, 21) des Verstärkers (1) Teil des zweiten Strompfades ist.

Description

Verstärkervorrichtuna zur Verstärkung kleiner Ströme
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verstärkung kleiner Ströme.
In vielen Messgeräten, zum Beispiel in Massenspektrometern oder Vakuum messgeräten, erfolgt die Messwertbildung aufgrund von Strömen, die von posi tiv oder negativ geladenen, auf eine Elektrode auftreffenden Teilchen erzeugt werden. Der dynamische Bereich der auftretenden und zu messenden Ionen- und Elektronenstromstärken ist sehr groß. Er reicht häufig von einigen hundert Atto-Ampere bis zu einigen Mikro-Ampere und überstreicht damit mehrere De kaden.
Insbesondere sind kleine Ströme bei Vakuummessgeräten, im unteren Druck bereich und bei Lecksuchgeräten zu messen. Dabei werden vielfach Massen spektrometer eingesetzt. Bei sehr kleinen Strömen unterhalb von 10 fA treten beim Aufbau eines Verstärkers, der zugleich auch größere Ströme messen kann, Schwierigkeiten bei der Schaltung auf, wenn eine Bereichsumschaltung von der Messung kleiner Ströme zur Messung größerer Ströme notwendig ist. Stromver stärker, die einen Widerstand verwenden, müssen für sehr kleine Ströme einen hochohmigen Widerstand beinhalten, da das Stromrauschen des Widerstands mit zunehmenden Werten abnimmt. Bei Strömen größer als zum Beispiel 10 pA kann der hochohmige Widerstand jedoch nicht verwendet werden, da der Span nungsabfall am Widerstand zu groß wird. Bei Kondensatoren als Referenzbauteil ergeben sich ähnliche Schwierigkeiten wie bei den Widerständen. Bei Verstär kern nach dem Stand der Technik werden Halbleiterschalter oder auch Relais zur Umschaltung von Widerständen oder Strompfaden eingesetzt, um ein Um schalten von einem Betriebszustand zur Messung kleiner Ströme hin zu einem Betriebszustand zur Messung größerer Ströme zu ermöglichen. In allen Fällen sind dafür zusätzliche Bauteile erforderlich, die an den empfindlichen Eingangs knoten, an dem kleinste Ströme fließen und gemessen werden müssen, ange schlossen werden.
Zur Messung derartiger Teilchenströme werden Messvorrichtungen eingesetzt, die aus dem Teilchenstrom, das heißt Ionenstrom oder Elektronenstrom, ein messbares Messpotenzial erzeugen. Die Messvorrichtung weist hierzu üblicher weise einen Stromverstärker auf, typischerweise mit einem Operationsverstär ker. Über einen elektrischen Messwiderstand, der beispielsweise in dem Rück kopplungspfad des Operationsverstärkers angeordnet ist, wird aus dem ver stärkten Strom ein messbares elektrisches Potenzial erzeugt.
Um mit derselben Messschaltung den gesamten Dynamikbereich der vorkom menden Teilchenströme abzudecken, ist sowohl bei den herkömmlichen als auch bei dem erfindungsgemäßen Verstärker vorgesehen, dass zwischen einem emp findlichen Betrieb zur Messung kleiner Ströme von weniger als 100 pA (z.B. 1 pA) und einem Betrieb zur Messung größerer Ströme von mindestens 1 pA (z.B. 100 pA) umgeschaltet wird. Bei den herkömmlichen Strom Verstärkern erfolgt die Umschaltung mithilfe eines Relais, beispielsweise bei Sektorfeld-Massen spektrometern. Bei widerstandsbasierten Stromverstärkern, die einen großen Strombereich abdecken, kann auf eine Bereichsumschaltung nicht verzichtet werden, da bei kleinen Strömen nur hochohmige Widerstände infrage kommen und bei größeren Strömen nur niederohmige Bauteile den größeren Strom tra gen können. Bei kleinen Strömen begrenzt das Widerstandsrauschen den Ein satzbereich.
In EP 0 615 669 Bl wird ein Verstärker beschrieben, bei dem das Stromsignal mittels Dioden übertragen wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstärkervorrichtung zum Ver stärken kleiner Ströme zu schaffen, mit der das Umschalten zum Verstärken größerer Ströme verbessert wird, sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzu stellen.
Die erfindungsgemäße Verstärkervorrichtung ist definiert durch den unabhängi gen Patentanspruch 1.
Erfindungsgemäß weist die Verstärkervorrichtung einen ersten Strompfad zur Verstärkung der kleinen Ströme auf. Der erste Strompfad enthält eine Ein gangsverstärkervorrichtung mit mindestens einem ersten Verstärker mit min destens einem Schutzelement, z.B. einer Schutzdiode, sowie einem Rückkop pelelement in einem den Ausgang der Eingangsverstärkervorrichtung mit dem invertierenden Eingang verbindenden Rückkopplungspfad. Zum Messen größe rer Ströme ist ein zweiter, von dem ersten Strompfad zumindest teilweise ver schieden ausgebildeter Strompfad vorgesehen und ausgebildet. Mindestens ei nes der Schutzelemente des ersten Verstärkers ist in dem zweiten Strompfad enthalten.
Somit wird erfindungsgemäß eine Verstärkervorrichtung bereitgestellt, an deren Eingang zur Messung größerer Ströme keine weiteren Bauteile als diejenigen zum Betrieb zur Messung kleinster Ströme erforderlich sind, nämlich der Stromeingang, der Messwiderstand in Form des Rückkoppelelements und die Eingangsverstärkervorrichtung mit mindestens dem ersten Verstärker. Die her kömmlicherweise verwendeten Eingangsverstärker weisen im Eingangsbereich bereits Schutzelemente, z.B. Schutzdioden auf, die in der integrierten Schaltung zum Schutz der Eingangskreise erforderlich sind. Diese Schutzelemente werden erfindungsgemäß zur Bereichsumschaltung verwendet. Damit ist der empfind lichste Bereich zur Messung kleinster Ströme der Schaltung so stabil, als ob keine weiteren Bereiche zur Messung anderer Stromgrößen vorhanden wären. Bei einem Bereichswechsel vom empfindlichen Bereich hin zu dem Bereich zur Messung größerer Ströme fließt der Eingangsstrom durch eine oder mehrere der Schutzelemente, wodurch der Eingangsbereich auch für deutlich größere Ein gangsströme niederohmig wird. Da im integrierten Schaltkreis des ersten Ver stärkers Schutzelemente vorhanden sein müssen, kann nicht jeder Verstärker baustein verwendet werden. Sowohl Verstärkerbausteine, die Schutzelemente zu den Versorgungsspannungen aufweisen, als auch Verstärkerbausteine, die über Schutzelemente zwischen den Eingangsleitungen verfügen, können ver wendet werden.
Die Eingangsverstärkervorrichtung kann eine Anzahl von n Verstärkern mit n > 1 aufweisen. Im einfachsten Fall von n = 1 beinhaltet die Eingangsverstärker- vorrichtung nur den ersten Verstärker. Im Fall von n > 2 kann die Eingangsver stärkervorrichtung aus mindestens zwei Verstärkern gebildet sein, die eine Ver stärkerkombination bilden.
Die Eingangsverstärkervorrichtung weist einen invertierenden Eingang und ei nen Ausgang auf. Der Ausgang ist über einen Rückkopplungspfad mit dem in vertierenden Eingang der Eingangsverstärkervorrichtung verbunden. In dem Rückkopplungspfad ist ein Rückkoppelelement enthalten.
Bei den Verstärkern kann es sich um Operationsverstärker und/oder bei den Schutzelementen um Schutzdioden handeln.
Im Folgenden werden anhand der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 das Ausführungsbeispiel in einem ersten Betriebszustand,
Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1,
Fig. 3 das Ausführungsbeispiel in einem zweiten Betriebszustand und
Fig. 4 ein Detail aus Fig. 1 bzw. Fig. 3 gemäß einem zweiten Ausführungs beispiel. Die Verstärkervorrichtung des dargestellten Ausführungsbeispiels weist einen ersten Operationsverstärker 1 auf, der einen invertierenden Eingang 30, einen nicht invertierenden Eingang 31, einen Ausgang 34, einen positiven Versor gungsanschluss 32 und einen negativen Versorgungsanschluss 33 aufweist.
Der Operationsverstärker beinhaltet Schutzelemente 18, 19, 20, 21 in diesem Fall Dioden die nach Art einer Brückengleichrichterschaltung zwischen dem in vertierenden Eingang 30 und dem nicht invertierenden Eingang 31 sowie den beiden Versorgungsanschlüssen 32, 33 angeordnet sind und diese untereinan der verbinden. Die Dioden 18, 19, 20, 21 sind dabei so angeordnet, dass sie vom negativen Versorgungsanschluss 33 in Richtung auf den positiven Versor gungsanschluss 32 leiten und in entgegengesetzter Richtung sperren.
Mit dem Ausdruck "nach Art einer Brückengleichrichterschaltung" ist gemeint, dass der Brückenzweig die beiden Eingänge 30, 31 des Operationsverstärkers 1 beinhaltet. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass bei einem idealen Operati onsverstärker keine Spannung zwischen den beiden Eingängen 30, 31 abfällt. Das eine Ende des Brückenzweigs ist dabei mit dem invertierenden Eingang 30 und das andere Ende mit dem nicht invertierenden Eingang 31 verbunden. Die zwischen den beiden Eingängen anfallende Differenzspannung, die beim idealen Operationsverstärker gleich Null ist, ist damit Teil des Brückenzweigs.
Der Ausgang 34 des ersten Operationsverstärkers 1 ist mit dem nicht invertie renden Eingang 35 eines zweiten Operationsverstärkers 3 verbunden, dessen Ausgang über einen Rückkopplungszweig 41 mit dem invertierenden Eingang 30 des ersten Operationsverstärkers 1 verbunden ist. Der Rückkopplungspfad 41 enthält zwei Widerstände 2,4, zwischen denen der Rückkopplungspfad 41 über einen dritten Schalter 12 mit einem Eingang 22 verbunden ist, an dem eine Spannung einer Diodenflussspannung von ca. 0,5 Volt liegt. Der Ausgang 16 des zweiten Operationsverstärkers 3 ist ferner über Regelele mente 5 mit Masse verbunden. Die Regelelemente 5 bestehen aus einem Wi derstand 5a, einem Kondensator 5b und einem weiteren Widerstand 5c. Zwi schen dem Kondensator 5b und dem weiteren Widerstand 5c ist der invertie rende Eingang 36 des zweiten Operationsverstärkers 3 zu dessen Rückkopplung elektrisch angeschlossen.
Der Ausgang 34 des ersten Operationsverstärkers 1 ist über einen ersten Wi derstand 6a mit dem positiven Versorgungsanschluss 32 des ersten Operations verstärkers 1 verbunden und über einen zweiten Widerstand 6b mit dem nega tiven Versorgungsanschluss 33 verbunden. Der negative Versorgungsanschluss 33 ist über einen ersten Schalter 10 abwechselnd mit einer an der Spannungs quelle 14 anliegenden Versorgungsspannung von -5 Volt oder mit Masse ver bindbar.
Der positive Versorgungsanschluss 32 des ersten Operationsverstärkers 1 ist elektrisch mit dem invertierenden Eingang 38 eines dritten Operationsverstär kers 7 verbunden, dessen Ausgang 17 über einen Widerstand 8 rückgekoppelt ist. Der Widerstand 8 ist dabei durch eine Diode 9 überbrückt, die in Richtung von dem Ausgang 17 des dritten Operationsverstärkers 7 auf den positiven Ver sorgungsanschluss 32 des ersten Operationsverstärkers 1 leitet und in entge gengesetzter Richtung sperrt.
Der erste Verstärker 1 und der zweite Verstärker 3 bilden eine Eingangsverstär kervorrichtung 50, wobei die beiden Verstärker 1, 3 eine Verstärkerkombination bilden. Der Rückkopplungspfad 41 verbindet den Ausgang der Eingangsverstär kerkombination 50 mit deren invertierendem Eingang 30.
Der nicht invertierende Eingang 37 des dritten Operationsverstärkers 7 ist über einen zweiten elektrischen Schalter 11 wahlweise mit einer Spannungsquelle 15, im vorliegenden Fall 5 Volt, oder mit Masse verbindbar. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verstärker vorrichtung wird als Eingangsverstärker der erste Operationsverstärker 1 ver wendet, dessen Schutzelemente 18, 19, 20, 21 als Eingangsschutzdioden zur Versorgungsspannung vorgesehen sind. Wenn die Verstärkervorrichtung zur Messung kleiner Ströme von z.B. weniger als 100 pA im empfindlichsten Bereich betrieben wird, gelangt das Eingangsstromsignal über den Eingang 13 zum ers ten Operationsverstärker 1. Die negative Versorgungspannung erhält der erste Operationsverstärker 1 aus der Spannungsquelle 14 über dem ersten Schalter 10 in der in Fig. 1 dargestellten Schalterstellung. Die positive Versorgungsspan nung erhält der Operationsverstärker 1 aus der Spannungsquelle 15, im vorlie genden Fall in Höhe von +5 Volt, über den zweiten Schalter 11 in der in Fig. 1 dargestellten Schalterstellung am nicht invertierenden Eingang 37 des dritten Operationsverstärkers 7.
Die Ausgangsspannung am Ausgang 17 des dritten Operationsverstärkers 7 re gelt sich auf eine um die Diodenflussspannung der Diode 9 erhöhten Wert ein. Dadurch wird die Spannung, die zum ersten Operationsverstärker 1 gelangt, so groß wie die Spannung am nicht invertierenden Eingang 37 des dritten Opera tionsverstärkers 7.
Der Verstärker 7 ist nicht Teil der Eingangsverstärkervorrichtung 50. Der Ver stärker 7 dient zur Aufnahme größerer Ströme am Eingang 13 der Eingangsver stärkervorrichtung 50. Der Eingangsstrom fließt über die Diode 18 durch den Verstärker 1 direkt zum Eingang 38 des Verstärkers 7. Kleinere Ströme am Ein gang 13 werden hingegen zunächst von der Eingangsverstärkervorrichtung 50 verstärkt.
Der dritte elektrische Schalter 12 ist in diesem in Fig. 1 dargestellten Betriebs zustand zur Messung kleiner Ströme geöffnet. Die Rückkopplungswiderstände 4, 2 ergeben zusammen das Rückkoppelelement, im vorliegenden Fall in Form eines elektrischen Widerstands. Der Eingang 13 am invertierenden Eingang 30 des ersten Operationsverstärkers 1 stellt in diesem Fall einen virtuellen Nullpunkt dar, wodurch am Eingang 13 keine nennenswerte Spannung anliegt.
Am Ausgang 16 des zweiten Operationsverstärkers 3 liegt eine zum Eingangs strom des ersten Operationsverstärkers 1 proportionale invertierte Spannung an. Die Schutzdioden 18, 19, 20, 21 des Eingangsverstärkers werden nun je weils in Sperrrichtung betrieben und führen somit keinen nennenswerten Strom.
Die Eingangsverstärkervorrichtung 50 aus dem ersten Operationsverstärker 1 und dem zweiten Operationsverstärker 3 bildet einen Regelkreis. Die Regelele mente 5 müssen je nach Grenzfrequenz der eingesetzten Elemente 5a, 5b, 5c dimensioniert werden, damit der Kreis stabil bleibt, zum Beispiel 120 kOhm am elektrischen Widerstand 5a, 1 nF am Kondensator 5b und 10 kOhm am elektri schen Widerstand 5c.
Fig. 1 zeigt die gesamte Verstärkervorrichtung, während Fig. 2 den ersten Ope rationsverstärker 1 und die darin angeordneten Schutzelemente 18, 19, 20, 21 und deren elektrische Verschaltung mit den Anschlüssen des ersten Operations verstärkers 1 im Detail darstellt.
Fig. 3 zeigt die Verstärkervorrichtung im Betriebszustand zur Messung größerer Ströme über den zweiten Strompfad. Hierzu wird die Verstärkervorrichtung in einem erweiterten Strombereich betrieben, in dem der erste elektrische Schalter 10 auf Massepotenzial umgeschaltet wird. Damit liegt am negativen Versor gungsanschluss 33 des Eingangsverstärkers eine Spannung von ungefähr 0 Volt an. Die Eingangsschutzelemente 20, 21 sperren weiterhin.
Der zweite Schalter 11 wird ebenfalls auf Massepotenzial umgelegt. Da sich der dritte Operationsverstärker 7 mit dessen Rückkoppelwiderstand 8 so regelt, dass keine nennenswerte Differenzspannung zwischen dem invertierenden Ein gang 38 und dem nicht invertierenden Eingang 37 des dritten Operationsver- stärkers 7 anliegt, wird auch die positive Versorgung des ersten Operationsver stärkers 1 am positiven Versorgungsanschluss 32 nahe 0 Volt liegen. Wenn nun ein Eingangsstrom in den Eingangsanschluss 13 gelangt, fließt dieser durch die Schutzdiode 18 hin zum positiven Versorgungsanschluss 32.
Der dritte elektrische Schalter 12 ist in diesem Betriebszustand geschlossen, sodass die an der Klemme 22 anliegende Spannung, im vorliegenden Fall 0,5 Volt, an dem Rückkopplungswiderstand 2 entsprechend der Diodenflussspan nung der Schutzdiode 18 anliegt, damit durch den Rückkoppelwiderstand 2 möglichst kein Strom fließt.
Der zweite Strompfad für größere Ströme am Eingang 13 führt nun also über die Schutzdiode 18 hin zum Rückkoppelwiderstand 8 des dritten Operationsver stärkers 7. Über dem Rückkopplungswiderstand 8 liegt eine dem Eingangsstrom proportionale invertierte Spannung an, die am Ausgang 17 des dritten Operati onsverstärkers 7 abgegriffen werden kann. Die Diode 9 sperrt in diesem Fall. Der zweite Strompfad zur Messung größerer Ströme führt dann von dem inver tierenden Eingang 30 des ersten Operationsverstärkers 1 über eine Schutzdiode 18 der Schutzdioden 18, 19, 20, 21 hin zum positiven Versorgungsanschluss 32 des ersten Operationsverstärkers 1 und von dort über den Rückkoppelwider stand 8 des dritten Operationsverstärkers 7 hin zu dessen Ausgangsanschluss 17.
In der beschriebenen Schaltungsanordnung wird die Eingangsspannung 13 beim Betrieb im Strompfad für größere Ströme um die Flussspannung des Schutzele ments 18 erhöht. Zur Vermeidung dieser Eigenschaft, können die Massepunkte an den Schalter 10 und 11 um die Flussspannung des Schutzelements 18 ge senkt werden. Das Rückkoppelelement 2 wird in diesem Fall stromlos, wenn am Eingang 220 Volt angelegt werden.
Eine weitere Verbesserung des zweiten Strompfades ergibt sich, wenn die Diode 9 nach Fig. 4 aufgeteilt wird. Im Fall, wenn der zweite Strompfad aktiviert wurde, liegt am Ausgang 17 eine negative Spannung an. Der Sperrstrom der Diode verfälscht die Messung. Wenn die Schaltung nach Fig. 4 ergänzt wird, fällt die negative Spannung an der Diode 9b ab. An der Diode 9a liegt dann beidseitig etwa null Volt an, wodurch sich der Sperrstrom deutlich reduziert.
Hier wurde die Schaltung für positive Eingangsströme beschrieben. Grundsätz lich ist eine Schaltungsvariante für negative bzw. auch beide Stromrichtungen möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verstärkervorrichtung zur Aufnahme von Strömen, mit einem ersten Strompfad zur Messung kleiner Ströme von weniger als 100 pA, einer in dem ersten Strompfad enthaltenen Eingangsverstärkervor richtung (50) mit mindestens einem ersten Verstärker (1), einem Ausgang, einem invertierenden Eingang (30), einem den Ausgang mit dem invertierenden Eingang (30) ver bindenden ersten Rückkopplungspfad (41) und einem in dem ersten Rückkopplungspfad (41) enthaltenen Rückkoppelelement (2), wobei der erste Verstärker (1) mindestens ein Schutzelement (18, 19, 20, 21) aufweist, einem zweiten Strompfad zur Messung größerer Ströme mit einem Maximalstrom von mindestens dem 10-fachen des im ersten Strom pfad aufzunehmenden Stromes, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der Schutzelemente (18, 19, 20, 21) der Ein gangsverstärkervorrichtung (50) Teil des zweiten Strompfades ist.
2. Verstärkervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Schutzelemente (18, 19, 20, 21) die Versor gungsspannung des ersten Verstärkers (1) anliegt.
3. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der Schutzelemente (18, 19, 20, 21) zwischen zwei Eingängen (30, 31) des ersten Ver stärkers (1) angeordnet und mit diesem verbunden ist.
4. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkoppelelement (2) im ersten Rückkopplungspfad (41) ein elektrischer Widerstand ist.
5. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückkoppelbauteil (2) im ersten Rückkopplungspfad (41) ein Kondensator ist.
6. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsverstärkervorrichtung (50) mindestens einen weiteren Verstärker (3) aufweist, der mit dem ersten Verstärker (1) einen Regelkreis bildet.
7. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Versor gungsanschlüsse (32, 33) des ersten Verstärkers (1) über einen elektrischen Widerstand (6a, 6b) mit dem Ausgang des ersten Ver stärkers (1) verbunden ist.
8. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkopplungspfad (41) den Aus gang des letzten Verstärkers der Eingangsverstärkervorrichtung (50) bestehend aus dem ersten Verstärker (1) sowie dem mindestens ei nen weiteren Verstärker (3) mit dem invertierenden Eingang (30) der Eingangsverstärkervorrichtung (50) verbindet.
9. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Versorgungsanschluss (33) des ersten Verstärkers (1) über einen ersten Schalter (10) wahlweise mit einer negativen Versorgungsspannung (14) oder Masse verbindbar ist, während der positive Versorgungsanschluss (32) des ersten Ver stärkers (1) mit dem invertierenden Anschluss (38) eines dritten Ver stärkers (7) elektrisch leitend verbunden ist, dessen nicht invertieren der Eingang (37) über einen zweiten Schalter (11) wahlweise mit einer positiven Versorgungsspannung (15) oder Masse verbindbar ist.
10. Verstärkervorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verstärker (7) einen zwei ten Rückkopplungspfad (43) mit einem elektrischen Widerstand (8) und einer parallel zu dem Widerstand (8) angeordneten elektrischen Diode (9) aufweist, die in Richtung von dem Ausgang (17) des drit ten Verstärkers zu dem positiven Versorgungsanschluss (32) des ersten Verstärkers (1) leitet und in entgegengesetzter Richtung sperrt.
11. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rückkopplungspfad (41) über einen dritten Schalter (12) wahlweise mit einer Spannung verbindbar ist, die den Stromfluss im Rückkoppelelement (2) je nach Schalterstel lung vermeidet oder erlaubt.
12. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Massebezüge der Schalter (10, 11) sowie die Bezugsspannung (22) um die Flussspannung des Schutzele ments (18) verändert wird.
13. Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rückkopplungspfad (43) zwei Dioden (9a, 9b) aufweist, zwischen denen ein Widerstand (39) mit Be zug zum Schalter (11) führt.
14. Gasdetektor mit einem massenspektrometrischen Sensor oder einem Totaldrucksensor und mit einer Verstärkervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Verfahren zum Messen von Strömen unter Verwendung einer Verstär kervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeich net, dass eine Umschaltung von dem ersten Strompfad auf den zweiten Strompfad erfolgt, indem der negative Versorgungsanschluss (33) des ersten Verstärkers (1) mit Masse verbunden wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zum Umschalten des Strompfades zusätzlich der nicht invertierende Eingang eines dritten Verstärkers (7), dessen invertieren der Eingang mit dem positiven Versorgungsanschluss (32) des ersten Verstärkers (1) verbunden ist, mit Masse verbunden wird.
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