DE102012020148A1 - Amplifier i.e. power amplifier, for amplifying electric current, has resistors changing resistor ratio of electric resistance of feedback resistor to electric resistance of intermediate resistor with change in temperature at specified range - Google Patents

Abstract

The amplifier has first operational amplifier (18) connected downstream of second operational amplifier (8), which converts current from the first operational amplifier to voltage. An intermediate resistor (10) is switched between the operational amplifiers, and an inverse feedback resistor (9) and the intermediate resistor are formed, so that the resistors change resistor ratio of electric resistance of the feedback resistor to electric resistance of the intermediate resistor with change in temperature of 0.1 K around 10 power minus 6 times.

Description

Die präzise, rückführbare Messung kleinster Ströme ist wegen des Rauschens der Stromverstärker sehr schwierig. Um Stromstärken im Bereich von 100 Pikoampere mit einer Messunsicherheit von 10^–7 rückführbar innerhalb einer akzeptablen Messzeit bestimmen zu können, ist es wünschenswert, dass das eingangsbezogene Stromrauschen der Verstärkeranordnung etwa 1 fA/√Hz nicht übersteigt. Weiterhin muss die Anordnung eine außerordentlich hohe Temperatur- und Langzeitstabilität aufweisen.The precise, traceable measurement of very small currents is very difficult because of the noise of the current amplifiers. To be able to determine currents in the range of 100 picoamps with a measurement uncertainty of 10 ^-7 traceable within an acceptable measurement time, it is desirable that the input-related current noise of the amplifier arrangement does not exceed about 1 fA / √Hz. Furthermore, the arrangement must have an extremely high temperature and long-term stability.

Bekannte Messgeräte erreichen zwar ein hinreichend geringes Stromrauschen, die rückführbare Messunsicherheit ist jedoch zu hoch, um Stromstärken im Bereich von 100 Pikoampere auf 10^–7 genau zu messen.Although known measuring devices achieve a sufficiently low current noise, the traceable measurement uncertainty is too high to accurately measure currents in the range of 100 picoamps to 10 ^-7 .

Stromverstärker auf Halbleiterbasis mit Feldeffekttransistoren weisen bis zu niedrigen Frequenzen herab ein akzeptables Stromrauschen auf, wenn Gegenkopplungswiderstände im Gigaohmbereich verwendet werden. Widerstände dieser Größenordnung, die üblicherweise als Drahtwiderstände oder in Dickschichttechnik hergestellt werden, besitzen im Allgemeinen aber nicht die nötige Temperatur- und Langzeitstabilität.Semiconductor-based power amplifiers with field effect transistors exhibit acceptable current noise down to low frequencies when negative feedback resistors in the giga ohm range are used. Resistors of this size, which are usually produced as wirewound resistors or in thick-film technology, but generally do not have the necessary temperature and long-term stability.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit bei vorgegebener Messzeit bei der Messung von elektrischen Strömen von höchstens 1000 Pikoampere zu erhöhen.The object of the invention is to increase the measurement accuracy for a given measuring time in the measurement of electric currents of at most 1000 picoamps.

Vorteilhaft an der Erfindung ist das geringe Eigenrauschen des Verstärkers. Da der hochohmige erste Gegenkopplungswiderstand und der niederohmige Widerstand in Form des Zwischen-Widerstands eine mit hoher Genauigkeit übereinstimmende Temperaturabhängigkeit zeigen, heben sich die von den beiden Widerständen verursachten Messungenauigkeiten gerade auf. Es kommt dann nicht mehr auf die absolute Temperaturstabilität der Widerstände an, sondern nur noch darauf, dass beide Widerstände bei Temperaturänderung das gleiche Verhalten zeigen.An advantage of the invention is the low inherent noise of the amplifier. Since the high-impedance first negative feedback resistance and the low resistance in the form of the intermediate resistor show a temperature dependence which matches with high accuracy, the measurement inaccuracies caused by the two resistors are just canceled out. It then no longer depends on the absolute temperature stability of the resistors, but only on the fact that both resistors show the same behavior with temperature change.

Die Stabilität des Widerstandsverhältnisses beträgt dabei zumindest 10^–6, vorzugsweise zumindest 10^–7. Der Begriff „hochohmig” bezieht sich darauf, dass der Gegenkopplungswiderstand einen höheren elektrischen Widerstand hat als der Zwischen-Widerstand. Die Langzeitstabilität des Widerstandsverhältnisses ist durch Verwendung einer Vielzahl von Dünnschichtwiderständen möglich. Zwar ist es möglich, dass sich die Widerstände selbst ändern, das Verhältnis hingegen bleibt mit hoher Genauigkeit konstant. Durch die Vielzahl an Widerständen mitteln sich zudem Fluktuationen des Widerstandsverhältnisses von Widerstandspaaren heraus.The stability of the resistance ratio is at least 10 ^-6 , preferably at least 10 ^-7 . The term "high impedance" refers to the fact that the negative feedback resistor has a higher electrical resistance than the intermediate resistor. The long-term stability of the resistance ratio is possible by using a plurality of thin-film resistors. Although it is possible that the resistors themselves change, the ratio remains constant with high accuracy. Due to the large number of resistors, fluctuations of the resistance ratio of pairs of resistances average out as well.

Vorzugsweise beträgt der elektrische Widerstand des Gegenkopplungswiderstands zumindest das Hundertfache des ohmschen Widerstands des Zwischen-Widerstands.Preferably, the electrical resistance of the negative feedback resistor is at least 100 times the ohmic resistance of the intermediate resistor.

Bevorzugt sind der hochohmige Gegenkopplungswiderstand und der Zwischen-Widerstand aus mittels einer Serienschaltung von zumindest 100 identisch dimensionierten Widerständen aufgebaut. So führen 1000 Widerstandspaare, bei denen das Gegenkopplungswiderstandselement 10 Megaohm hat und das Zwischen-Widerstandselement 10 Kiloohm, zu einem Gegenkopplungswiderstand von 10 Gigaohm und einem Zwischen-Widerstand von 10 Megaohm. Solche Widerstandspaare können einfach und mit einer hohen Genauigkeit hergestellt werden.Preferably, the high-impedance negative feedback resistor and the intermediate resistor are constructed by means of a series circuit of at least 100 identically dimensioned resistors. Thus, 1000 pairs of resistors in which the negative feedback resistor element has 10 megohms and the inter-resistance element 10 kilohms leads to a negative feedback resistance of 10 gigaohms and an intermediate resistance of 10 megohms. Such resistor pairs can be manufactured easily and with high accuracy.

Zweckmäßigerweise sind dazu beide Widerstände des Widerstandspaars, also der hochohmige Gegenkopplungswiderstand und der Zwischen-Widerstand, aus der gleichen Anzahl von Einzelwiderständen aufgebaut, so dass die Übereinstimmung des temperaturabhängigen Verhaltens möglichst hoch ist.Conveniently, both resistors of the resistor pair, so the high-impedance negative feedback resistor and the intermediate resistor, constructed from the same number of individual resistors, so that the match of the temperature-dependent behavior is as high as possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste hochohmige Gegenkopplungswiderstand eine Mehrzahl an Gegenkopplungswiderstandselementen gleichen elektrischen Widerstands auf und der Zwischen-Widerstand eine Mehrzahl an Zwischen-Widerstandselementen gleichen elektrischen Widerstands, wobei je ein Gegenkopplungswiderstandselement und ein Zwischen-Widerstandselement ein Widerstandspaar bilden. Insbesondere sind die Widerstandselemente eines Widerstandspaars örtlich benachbart angeordnet und/oder auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Die Temperaturabhängigkeit von in unmittelbarer Nähe zueinander auf dem Substrat gefertigten Widerstandspaaren ist in guter Näherung identisch. Das Widerstandsverhältnis zwischen ohmschem Widerstand des Gegenkopplungswiderstandselements und ohmschem Widerstand des Zwischen-Widerstandselements bleibt mit hoher Genauigkeit auch dann konstant, wenn die beiden ohmschen Widerstände selbst sich ändern.According to a preferred embodiment, the first high resistance negative feedback resistor has a plurality of negative feedback resistive elements of equal electrical resistance and the intermediate resistance comprises a plurality of intermediate resistive elements of equal electrical resistance, with each negative feedback resistive element and intermediate resistive element forming a resistor pair. In particular, the resistance elements of a resistor pair are arranged locally adjacent and / or arranged on a common substrate. The temperature dependence of resistance pairs made in close proximity to one another on the substrate is, to a good approximation, identical. The resistance ratio between the ohmic resistance of the negative feedback resistance element and the ohmic resistance of the intermediate resistance element remains constant with high accuracy even when the two ohmic resistances themselves change.

Vorzugsweise sind die Widerstandspaare auf einem IC (integrated circuit, englisch für integrierten Schaltkreis) zusammengefasst.Preferably, the resistor pairs are combined on an integrated circuit (IC).

Besonders bevorzugt sind die Widerstände als Dünnschichtwiderstände ausgebildet. Dünnschichtwiderstände umfassen eine elektrisch leitende Schicht vorzugsweise von weniger als 500 nm auf einem elektrischen Isolator. Günstig ist es, wenn die Dünnschichtwiderstände in NiCr-Dünnschichttechnik hergestellt sind, wobei neben Schichten aus NiCr beispielsweise auch solche aus TaN₂ oder SiCr verwendbar sind.Particularly preferably, the resistors are designed as thin-film resistors. Thin film resistors comprise an electrically conductive layer, preferably less than 500 nm, on an electrical insulator. It is advantageous if the thin-film resistors are produced in NiCr thin-film technology, wherein, in addition to layers of NiCr, for example, those of TaN ₂ or SiCr are usable.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gegenkopplungswiderstandselemente und die Zwischen-Widerstandselemente auf einer Leiterplatte jeweils mäanderförmig und parallel zueinander angeordnet, wobei zwischen den Mäanderbahnen Ausnehmungen in der Leiterplatte angebracht sind. Mit Hilfe dieser Anordnung können Leckströme minimiert werden. Die Ausnehmungen können beispielsweise als Frässchnitte ausgeführt sein. Vorzugsweise sind unterhalb der Widerstandspaare Ausnehmungen zu einer Leiterplatte vorgesehen, auf der das Substrat befestigt ist, auf dem die Widerstandspaare angeordnet sind. Die Ausnehmungen verringern Leckströme in die Leiterplatte. According to a preferred embodiment, the negative feedback resistance elements and the intermediate resistance elements are respectively meandered on a printed circuit board and arranged parallel to each other, wherein recesses are mounted in the printed circuit board between the meandering tracks. By means of this arrangement, leakage currents can be minimized. The recesses can be designed, for example, as milling cuts. Preferably, recesses are provided below the resistor pairs to a printed circuit board, on which the substrate is fixed, on which the resistor pairs are arranged. The recesses reduce leakage currents in the circuit board.

Bei auf konventionelle Weise gefertigten Widerstandsnetzwerken in Dünnschichttechnik werden die Werte der einzelnen Widerstände im Regelfall durch die Länge der Widerstandsbahnen vorgegeben, das heißt, neben der Schichtdicke wird auch die Bahnbreite konstant gehalten. Unter diesen Bedingungen hätte ein niederohmiger Einzelwiderstand eine um ein Vielfaches kleinere Fläche als ein hochohmiger Einzelwiderstand und wäre daher bezüglich des Stromrauschens und der Spannungsabhängigkeit dominant. Diese Probleme können vermieden werden, wenn die beiden Einzelwiderstände eines Einzelwiderstandspaars in etwa flächengleich sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt daher das Flächenverhältnis zwischen der Fläche eines Gegenkopplungswiderstandselements und der Fläche eines Zwischen-Widerstandselements zwischen 0,9 und 1,1.Conventionally fabricated resistor networks in thin-film technology, the values of the individual resistors are usually given by the length of the resistance paths, that is, in addition to the layer thickness and the web width is kept constant. Under these conditions, a low-resistance single resistor would have a much smaller area than a high-impedance single resistor and would therefore be dominant in terms of current noise and voltage dependence. These problems can be avoided if the two individual resistors of a Einzelwiderstandspaars are approximately equal in area. Therefore, according to a preferred embodiment, the area ratio between the area of a negative feedback resistive element and the area of an intermediate resistive element is between 0.9 and 1.1.

Falls dies aufgrund von konstruktionstechnischen Gründen nicht realisierbar ist, so ist es vorteilhaft, wenn die Fläche des niederohmigen Einzelwiderstands zumindest 10% der Fläche des hochohmigen Einzelwiderstands beträgt.If this is not feasible due to design reasons, it is advantageous if the area of the low-resistance individual resistance is at least 10% of the area of the high-impedance individual resistance.

Der Verstärker kann mit einer über einen Normalwiderstand einkoppelbaren Kalibrierspannung, die alternativ sowohl auf den Stromeingang des ersten Operationsverstärkers als auch auf einen Ausgang zum Messgerät geschaltet werden kann, ausgestattet sein. Das Umschalten zwischen dem Stromeingang des ersten Operationsverstärkers und dem Ausgang zum Messgerät kann dabei beispielsweise mit einem Schalter erfolgen. Mittels einer solchen Anordnung lässt sich eine interne Kalibrierfunktion realisieren. Der Normalwiderstand wird dabei so in seiner Dimensionierung an den Verstärkungsfaktor des Verstärkers angepasst, dass durch einen Vergleich der Kalibrierspannung, die lediglich über dem Normalwiderstand abfällt, und der am Messgerät anliegenden Spannung, wenn die Kalibrierspannung auf den Stromeingang des ersten Operationsverstärker geschaltet ist, eine mögliche Drift des Verstärkers bestimmt werden kann, wodurch eine relativ einfache Kalibrierungsfunktion bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß ist auch eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Verstärker und einer Kalibriervorrichtung, die einen Quanten-Hall-Widerstand aufweist und so mit dem Verstärker verbunden ist, dass der Normalwiderstand kalibrierbar ist und/oder dass die Übertragungsfunktion des Verstärkers ermittelbar ist.The amplifier can be equipped with a calibrating voltage that can be coupled in via a normal resistance, which alternatively can be switched both to the current input of the first operational amplifier and to an output to the measuring device. The switching between the current input of the first operational amplifier and the output to the measuring device can be done, for example, with a switch. By means of such an arrangement, an internal calibration function can be realized. The normal resistance is adjusted in its dimensioning to the gain of the amplifier, that by a comparison of the calibration voltage, which only falls above the normal resistance, and the voltage applied to the meter, when the calibration voltage is switched to the current input of the first operational amplifier, a possible Drift of the amplifier can be determined, whereby a relatively simple calibration function is provided. According to the invention, an arrangement with an amplifier according to the invention and a calibration device, which has a quantum Hall resistance and is connected to the amplifier, that the normal resistance can be calibrated and / or that the transfer function of the amplifier can be determined.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Normalwiderstand wiederum um einen Metallfolienwiderstand, der ebenfalls durch eine Serienschaltung von zumindest 10 Einzelwiderständen, bevorzugt von zumindest 50 Einzelwiderständen, gebildet werden kann. Ungenauigkeiten der Einzelwiderstände heben sich so im Wesentlichen gegenseitig auf, so dass ein extrem hochwertiger langzeitstabiler Normalwiderstand entsteht.The normal resistance is again preferably a metal foil resistor, which can likewise be formed by a series connection of at least 10 individual resistors, preferably of at least 50 individual resistors. Inaccuracies of the individual resistors cancel each other out essentially so that an extremely high-quality long-term stable normal resistance arises.

Das erfindungsgemäße Widerstandspaar zeichnet sich dadurch aus, dass beide Einzelwiderstände paarweise auf einem gemeinsamen Substrat gefertigt sind, so dass ein niederohmiger Widerstand einem hochohmigen Widerstand zugeordnet ist, und wobei der Widerstandswert des hochohmigen Widerstands den Widerstandswert des niederohmigen Widerstands um zumindest den Faktor 100 übersteigt. Durch eine Anpassung eines solchen Widerstandspaars an eine bestimmte Aufgabenstellung lässt sich zum Beispiel ein oben beschriebener Verstärker zum Verstärken von kleinen elektrischen Strömen herstellen, indem gegebenenfalls eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Widerstandspaaren als Einzelwiderstandspaare in Serie geschaltet werden.The resistor pair according to the invention is characterized in that both individual resistors are manufactured in pairs on a common substrate, so that a low-resistance resistor is assigned to a high-resistance resistor, and wherein the resistance value of the high-resistance resistor exceeds the resistance value of the low-resistance resistor by at least a factor of 100. By adapting such a resistor pair to a specific task, for example, an amplifier as described above for amplifying small electrical currents can be produced by optionally connecting a large number of resistor pairs according to the invention as individual resistor pairs in series.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the figures. Show it

1 den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Verstärkers, 1 the circuit diagram of an amplifier according to the invention,

2 einen Detailausschnitt des Schaltplans nach 1, 2 a detail of the schematic after 1 .

3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Widerstandpaars, 3 a schematic representation of the resistor pair according to the invention,

4 den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Verstärkers mit interner Kalibrierfunktion und 4 the circuit diagram of an amplifier according to the invention with internal calibration function and

5 eine Möglichkeit zur Rückführung der in 4 gezeigten Anordnung auf den Quanten-Hall-Effekt. 5 a way to repatriate the in 4 shown arrangement on the quantum Hall effect.

1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Verstärkers 2. Durch einen Stromeingang 4 fließt ein zu messender Eingangsstroms 1 zu einem ersten Operationsverstärker 8. Mittels eines Schalters 6 kann die Polarität des Eingangsstroms umgekehrt werden. 1 shows a circuit diagram of an amplifier according to the invention 2 , Through a power input 4 flows an input current to be measured 1 to a first operational amplifier 8th , By means of a switch 6 the polarity of the input current can be reversed.

Der Verstärker 2 umfasst einen Gegenkopplungswiderstand 9, der zwischen einen Ausgang 15 des Operationsverstärkers 8 und dessen invertierenden Eingang 7 geschaltet ist. Der Verstärker 2 besitzt zudem einen Zwischen-Widerstand 10, der mit dem invertierenden Eingang 7 verbunden ist. The amplifier 2 includes a negative feedback resistor 9 that is between an exit 15 of the operational amplifier 8th and its inverting input 7 is switched. The amplifier 2 also has an intermediate resistor 10 that with the inverting input 7 connected is.

Der Gegenkopplungswiderstand 9 ist aus einer Vielzahl an in Serie geschalteten hochohmigen Gegenkopplungswiderstandselementen 14.1, 14.2, 14.3, ..., 14.N aufgebaut, der Zwischen-Widerstand 10 besteht aus einer Vielzahl an in Serie geschalteten Zwischen-Widerstandselementen 16.1, 16.2, 16.3, ... 16.N. Je ein Gegenkopplungswiderstandselement 14 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt als solches) und ein Zwischen-Widerstandselement 16 bilden ein Widerstandspaar 12, so dass eine Vielzahl an Widerstandspaaren 12.1, 12.2, 12.3, ..., 12.N existiert.The negative feedback resistor 9 is made up of a large number of series-connected high-impedance negative feedback resistance elements 14.1 . 14.2 . 14.3 , ..., 14.N built, the intermediate resistance 10 consists of a large number of series-connected intermediate resistance elements 16.1 . 16.2 . 16.3 , ... 16.n , Depending on a negative feedback resistor element 14 (Reference numerals without counting suffix denote the object as such) and an intermediate resistance element 16 form a resistance pair 12 , so that a variety of pairs of resistance 12.1 . 12.2 . 12.3 , ..., 12.N exist.

Der Zwischen-Widerstand 10 ist zwischen den Ausgang 15 des ersten Operationsverstärkers 8 und einen invertierenden Eingang 17 eines zweiten Operationsverstärkers 18 geschaltet und kompensiert in guter Näherung alle Ungenauigkeiten, die der Gegenkopplungswiderstand 9 durch die Temperaturabhängigkeit der Gegenkopplungswiderstandselemente 14.n (n = 1, 2, 3, ..., N) hat.The intermediate resistance 10 is between the exit 15 of the first operational amplifier 8th and an inverting input 17 a second operational amplifier 18 switched and compensated in a good approximation all inaccuracies that the negative feedback resistor 9 by the temperature dependence of the negative feedback resistance elements 14.n (n = 1, 2, 3, ..., N).

Der Verstärker 2 umfasst zudem einen Metallfolienwiderstand 20, der als Gegenkopplungswiderstand für den zweiten Operationsverstärker 18 zwischen den invertierenden Eingang 17 und einen Ausgang 19 geschaltet ist. Mittels des zweiten Operationsverstärkers 18 wird der von dem ersten Operationsverstärker 8 verstärkte Eingangsstrom in eine Spannung umgewandelt, die an einem Spannungsausgang 22 des Verstärkers 2 anliegt.The amplifier 2 also includes a metal foil resistor 20 which acts as a negative feedback resistor for the second operational amplifier 18 between the inverting input 17 and an exit 19 is switched. By means of the second operational amplifier 18 becomes that of the first operational amplifier 8th amplified input current is converted into a voltage, which is connected to a voltage output 22 of the amplifier 2 is applied.

Eine mögliche Dimensionierung kann wie folgt aussehen: Jedes hochohmige Gegenkopplungswiderstandselement 14 hat einen Widerstand von 1 Megaohm und jedes Zwischen-Widerstandselement 16 hat einen Widerstand von 10 Kiloohm. Bei insgesamt 1000 Widerstandspaaren 12 hat dann der Gegenkopplungswiderstand 9 einen Widerstand von 1 Gigaohm und der Zwischen-Widerstand 10 hat einen Widerstand von 10 Megaohm. Geeignet ist die SO-Serie von Powertron (Vishay Precision Group).A possible dimensioning can be as follows: Any high-impedance negative feedback resistor element 14 has a resistance of 1 megohm and each intermediate resistance element 16 has a resistance of 10 kilohms. With a total of 1000 resistance pairs 12 then has the negative feedback resistor 9 a resistance of 1 gigaohm and the intermediate resistance 10 has a resistance of 10 megohms. The SO series from Powertron (Vishay Precision Group) is suitable.

Der Metallfolienwiderstand 20 hat im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Widerstand von 100 Kiloohm. Mit der beschriebenen Dimensionierung lässt sich ein eingangsbezogenes Stromrauschen von 1,4 fA/√Hz erreichen, welches nur wenig über dem Nyquist-Rauschen eines herkömmlichen 10 Gigaohm-Widerstands liegt.The metal foil resistance 20 has a resistance of 100 kilohms in the illustrated embodiment. With the described dimensioning, an input-related current noise of 1.4 fA / √Hz can be achieved, which is only slightly above the Nyquist noise of a conventional 10 gigaohm resistor.

2 zeigt einen möglichen inneren Aufbau des ersten Operationsverstärkers 8, der drei Teil-Operationsverstärker umfasst. Der Teil-Operationsverstärker 8.1 fungiert als FET-Buffer, der mit diesem verbundene Operationsverstärker 8.2 dient als Integrator und der Operationsverstärker 8.3 wirkt als Ausgangsstufe. 2 shows a possible internal structure of the first operational amplifier 8th which includes three part opamps. The part op amp 8.1 acts as a FET buffer associated with this operational amplifier 8.2 serves as integrator and operational amplifier 8.3 acts as an output stage.

Am Ausgang des Operationsverstärkers 8.3 treten die höchsten Spannungen auf, so dass es vorteilhaft ist, einen Hochvolt-Operationsverstärker zu verwenden. So kann bei der weiter unten beschriebenen Kalibrierung mit größeren Messsignalen gearbeitet und die Kalibrierdauer reduziert werden. Für die beiden übrigen Operationsverstärker 8.1 und 8.2 können herkömmliche ±5 Volt-Typen verwendet werden. Der erste Operationsverstärker 8 umfasst zudem Widerstände 24, 26 und 28 sowie eine Kapazität 25.At the output of the operational amplifier 8.3 The highest voltages occur so that it is advantageous to use a high-voltage operational amplifier. For example, the calibration described below can be performed with larger measurement signals and the calibration time can be reduced. For the two remaining operational amplifiers 8.1 and 8.2 conventional ± 5 volt types can be used. The first operational amplifier 8th also includes resistors 24 . 26 and 28 as well as a capacity 25 ,

3 zeigt ein mögliches makroskopisches Layout des Zwischen-Widerstands 10. Die Widerstandspaare 12 (Bezugszeichen ohne Zählsuffix bezeichnen das Objekt als solches) sind mäanderförmig angeordnet und bilden eine Widerstandskette 11. Ein Detailausschnitt der Widerstandskette 11 ist im rechten Teil von 3 gezeigt. Zu erkennen sind jeweils die hochohmigen Gegenkopplungswiderstandselemente 14 und die niederohmigen Zwischen-Widerstandselemente 16. 3 shows a possible macroscopic layout of the intermediate resistor 10 , The resistance pairs 12 (Reference numerals without counting suffix denote the object as such) are arranged meandering and form a resistor chain 11 , A detail of the resistance chain 11 is in the right part of 3 shown. The high-resistance negative feedback resistance elements can be seen in each case 14 and the low resistance intermediate resistance elements 16 ,

Sowohl in der Detailansicht auf der rechten Seite als auch im makroskopischen Überblick auf der linken Seite von 3 sind mit dem Bezugszeichen 30 Frässchnitte gekennzeichnet, die jeweils der Minimierung von Leckströmen dienen. Sowohl zwischen den einzelnen Teilen der mäanderförmig angeordneten Widerstandskette 11 als auch unter den einzelnen Widerstandspaaren 12 sind solche Frässchnitte 30 angeordnet.Both in the detail view on the right side and in the macroscopic overview on the left side of 3 are denoted by the reference numeral 30 Milling sections marked, each of which serves to minimize leakage currents. Both between the individual parts of the meandering resistor chain 11 as well as among the individual resistance pairs 12 are such milling cuts 30 arranged.

Der gesamte Flächenbedarf der in 3 gezeigten Anordnung entspricht im gezeigten Ausführungsbeispiel mit insgesamt 1000 Widerstandspaaren 12 in etwa einer DIN-A4-Seite. Die absolute Toleranz der Widerstandswerte der Widerstandselemente 14, 16 spielt nur eine untergeordnete Rolle, eine Toleranz von 20% ist hier ausreichend, solange die relative Toleranz ausreichend klein ist, also ein Widerstandsverhältnis

von elektrischem Widerstand R₉ des Gegenkopplungswiderstand 9 zu elektrischem Widerstand R₁₀ des Zwischen-Widerstands genau genug bestimmt ist.The total area requirement of in 3 shown arrangement corresponds in the embodiment shown with a total of 1000 pairs of resistors 12 in about a DIN A4 page. The absolute tolerance of the resistance values of the resistance elements 14 . 16 plays only a minor role, a tolerance of 20% is sufficient here, as long as the relative tolerance is sufficiently small, so a resistance ratio

of electrical resistance R _{9 of} the negative feedback resistor 9 to electrical resistance R _{10 of} the intermediate resistance is determined exactly enough.

Es hat sich gezeigt, dass die Konstanz des Widerstandsverhältnisses

und insbesondere die Konstanz eines Paar-Widerstandsverhältnisses

für das n-te Widerstandspaars 12.n für alle Widerstandspaare 12 von Bedeutung ist. Die Widerstandpaare 12 sind so herstellbar, dass die Temperaturstabilität des Paar-Widerstandsverhältnisses Q₁₂(n) für jedes der N Einzelwiderstandspaare bei 2 bis 3 ppm/Kelvin liegt.It has been shown that the constancy of the resistance ratio

and in particular, the constancy of a pair resistance ratio

for the nth resistance pair 12.n for all resistance pairs 12 is important. The pairs of resistances 12 are manufacturable such that the temperature stability of the pair resistance ratio Q ₁₂ (n) for each of the N single resistance pairs is 2 to 3 ppm / Kelvin.

Bei einer mit einem Luftthermostaten ohne Weiteres erreichbaren Temperaturstabilität von ±0,1°C ergibt sich daraus eine Stabilität des Widerstandsverhältnisses eines Widerstandspaares 12 von 3 × 10^–7. Durch die Serienschaltung von 1000 Einzelwiderstandspaaren verbessert sich im Regelfall die gesamte Stabilität, so dass für den Zwischen-Widerstand 10 eine Obergrenze für die Stabilität des Verhältnisses Q der Widerstände von 10^–7 erreichbar ist.In the case of a temperature stability of ± 0.1 ° C., which can be easily achieved with an air thermostat, this results in a stability of the resistance ratio of a pair of resistors 12 from 3 × 10 ^-7 . The series connection of 1000 individual resistor pairs improves the overall stability as a rule, so that for the intermediate resistance 10 an upper limit for the stability of the ratio Q of the resistors of 10 ^{-7 is} achievable.

4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verstärkers 2, der im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Verstärker einen Normalwiderstand 36 umfasst, der eine interne Kalibrierung ermöglicht. Diese Kalibrierung ist zweckmäßig, da die Widerstandsdrift relevant für die Messgenauigkeit werden kann. Mit der internen Kalibrierfunktion wird eine regelmäßige Kalibrierung zum Ausgleich einer potentiellen Widerstandsdrift möglich, ohne dass eine aufwändige rückführbare Kalibrierung notwendig ist. 4 shows an embodiment of an amplifier according to the invention 2 compared to the one in 1 Amplifier shown a normal resistance 36 which allows internal calibration. This calibration is useful because the resistance drift can become relevant to the measurement accuracy. With the internal calibration function, a regular calibration to compensate for a potential resistance drift is possible without a complex traceable calibration is necessary.

Der Verstärker 2 umfasst dazu eine Spannungsquelle 34 zum Abgeben einer Kalibrierspannung, die über den Schalter 32 direkt auf ein Spannungsmessgerät 44 sowie über den Normalwiderstand 36 auf den Eingang des ersten Operationsverstärkers 8 geschaltet werden kann. Damit wird ein mit hoher Genauigkeit bekannter Kalibrierstrom in den Eingang des Stromverstärkers eingespeist.The amplifier 2 includes a voltage source 34 for delivering a calibration voltage via the switch 32 directly on a voltmeter 44 as well as the normal resistance 36 to the input of the first operational amplifier 8th can be switched. Thus, a known with high accuracy calibration current is fed into the input of the current amplifier.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als Normalwiderstand 36 ein 100 MΩ Metallfolienwiderstand verwendet, der wiederum als Serienschaltung von vielen einzelnen Widerständen ausgeführt sein kann. Geeignet ist hier beispielsweise die Type VHA518 der Vishay Precision Group. So mitteln sich Ungenauigkeiten heraus und es entsteht ein langzeitstabiler Normalwiderstand. Durch Vergleich der Kalibrierspannung mit dem Ausgangssignal des Stromverstärkers, das heißt mit Hilfe der am Spannungsmessgerät 44 gemessenen Spannung, kann der Verstärker 2 kalibriert werden.In the present embodiment is called normal resistance 36 used a 100 MΩ metal foil resistor, which in turn can be designed as a series circuit of many individual resistors. Suitable here, for example, the type VHA518 Vishay Precision Group. Thus, inaccuracies average out and there is a long-term stable normal resistance. By comparing the calibration voltage with the output signal of the current amplifier, that is with the help of the voltage meter 44 measured voltage, the amplifier can 2 be calibrated.

Beispielsweise kann zur internen Kalibrierung eine Spannung von ±0,48 V an den Normalwiderstand 36 angelegt und so ein Kalibrierstrom von ±4,8 nA erzeugt werden. Aus der Abweichung zwischen Kalibrierspannung und Ausgangsspannung kann bei angenommener Konstanz des Normalwiderstands 36 die Drift der gesamten Messanordnung (Widerstände plus Operationsverstärker-Einflüsse) bestimmt werden. In der beschriebenen Anordnung dominiert bei der internen Kalibrierung das Nyquist-Rauschen des Normalwiderstands 36, welches mit 13 fA/√Hz ungefähr eine Größenordnung über dem des Rauschen Stromverstärkers in Form des ersten Operationsverstärkers 2 liegt. Durch den relativ hohen Kalibrierstrom von ±4,8 nA ergibt sich eine akzeptable Messzeit für die interne Kalibrierung.For example, for internal calibration, a voltage of ± 0.48V to the standard resistor 36 created and so a calibration current of ± 4.8 nA are generated. The deviation between the calibration voltage and the output voltage can be assumed if the normal resistance is assumed to be constant 36 the drift of the entire measuring arrangement (resistors plus operational amplifier influences) can be determined. In the described arrangement, the Nyquist noise of the normal resistance dominates in the internal calibration 36 which at 13 fA / √Hz is approximately one order of magnitude higher than that of the noise current amplifier in the form of the first operational amplifier 2 lies. The relatively high calibration current of ± 4.8 nA results in an acceptable measurement time for the internal calibration.

In 5 ist eine Möglichkeit zur rückführbaren Kalibrierung des Verstärkers mit Hilfe eines Kryostromkomparators (CCC) 46 und eines auf den Quanten-Hall-Effekt zurückgeführten Normalwiderstands 42 dargestellt. Die eine Seite der Schaltung besteht aus der Primärstromquelle 38, einer Dämpfung 48 und einer Wicklung des CCC 46. Auf der anderen Seite befinden sich die andere Wicklung des CCC, eine Sekundärstromquelle 40 sowie der auf den Quanten-Hall-Effekt rückgeführte Normalwiderstand 42 oder der Quanten-Hall-Widerstand von 12,9 Kiloohm direkt.In 5 is a possibility for traceable calibration of the amplifier with the help of a cryostromic comparator (CCC) 46 and a normal resistance attributed to the quantum Hall effect 42 shown. One side of the circuit consists of the primary power source 38 , a damping 48 and a winding of the CCC 46 , On the other side are the other winding of the CCC, a secondary power source 40 and the normal resistance due to the quantum Hall effect 42 or the quantum Hall resistance of 12.9 kilo ohms directly.

Mittels dieser Anordnung ist eine hochpräzise Kalibrierung des Verstärkers 2 möglich. Auch der Normalwiderstand 36 kann unmittelbar nach der externen Kalibrierung mittels des Kryostromkomparators 46 kalibriert werden, so dass über einen längeren Zeitraum auch ohne externe Kalibrierung eine hohe Genauigkeit aufrecht erhalten werden kann.By means of this arrangement is a high-precision calibration of the amplifier 2 possible. Also the normal resistance 36 can immediately after the external calibration by means of the cryostromic comparator 46 be calibrated so that over a longer period, even without external calibration high accuracy can be maintained.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22

Verstärkeramplifier

44

Stromeingangcurrent input

66

Schalterswitch

77

invertierender Einganginverting input

88th

erster Operationsverstärkerfirst operational amplifier

99

GegenkopplungswiderstandNegative feedback resistor

1010

Zwischen-WiderstandIntermediate resistance

1111

Widerstandsketteresistor chain

1212

Widerstandspaarresistor pair

1414

GegenkopplungswiderstandselementNegative feedback resistor element

1515

Ausgangoutput

1616

Zwischen-WiderstandselementIntermediate resistance element

1717

invertierender Einganginverting input

1818

zweiter Operationsverstärkersecond operational amplifier

2020

MetallfolienwiderstandMetal foil resistor

2222

Spannungsausgangvoltage output

2424

Widerstandresistance

2525

Kapazitätcapacity

2626

Widerstandresistance

2828

Widerstandresistance

3030

Frässchnittegrinding cuts

3232

Schalterswitch

3434

Spannungsquellevoltage source

3636

Normalwiderstandnormal resistance

3838

PrimärstromquellePrimary power source

4040

SekundärstromquelleSecondary power source

4242

Normalwiderstandnormal resistance

4444

Spannungsmessgerätvoltmeter

4646

CCCCCC

4848

Dämpfungdamping

Claims (9)

Verstärker zum Verstärken eines elektrischen Stroms von unter 1000 Pikoampere mit: (a) einem Stromeingang (4), (b) einem Spannungsausgang (22) und (c) zumindest einem ersten Operationsverstärker (8), der – mit dem Stromeingang (4) elektrisch verbunden ist und – als Stromverstärker geschaltet ist, (d) einem hochohmigen Gegenkopplungswiderstand (9), der zwischen einen invertierenden Eingang (7) und einen Ausgang (15) des ersten Operationsverstärkers (8) geschaltet ist, (e) einem zweiten Operationsverstärker (18), der so hinter den ersten Operationsverstärker geschaltet ist, dass er einen Strom vom ersten Operationsverstärker (8) in eine Spannung wandelt, und (f) einem Zwischen-Widerstand (10), der zwischen den ersten Operationsverstärker (8) und den zweiten Operationsverstärker (18) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass (g) der Gegenkopplungswiderstand (9) und der Zwischen-Widerstand (10) so ausgebildet sind, dass sich ein Widerstandsverhältnis (Q) von elektrischem Widerstand (R₉) des Gegenkopplungswiderstands (9) zu elektrischem Widerstand (R₁₀) des Zwischen-Widerstands (10) bei einer Temperaturänderung von 0,1 K um höchstens das 10^–6-fache ändert.Amplifier for amplifying an electric current of less than 1000 picoamps, comprising: (a) a current input ( 4 ), (b) a voltage output ( 22 ) and (c) at least one first operational amplifier ( 8th ), which - with the power input ( 4 ) is electrically connected and - is connected as a current amplifier, (d) a high-impedance negative feedback resistor ( 9 ), which is connected between an inverting input ( 7 ) and an output ( 15 ) of the first operational amplifier ( 8th ), (e) a second operational amplifier ( 18 ), which is connected behind the first operational amplifier so that it receives a current from the first operational amplifier ( 8th ) converts to a voltage, and (f) an intermediate resistor ( 10 ) connected between the first operational amplifier ( 8th ) and the second operational amplifier ( 18 ), characterized in that (g) the negative feedback resistance ( 9 ) and the intermediate resistance ( 10 ) are formed so that a resistance ratio (Q) of electrical resistance (R ₉ ) of the negative feedback resistance ( 9 ) to electrical resistance (R ₁₀ ) of the intermediate resistor ( 10 ) at a temperature change of 0.1 K at most 10 ^-6 times changes. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste hochohmige Gegenkopplungswiderstand (9) eine Mehrzahl an Gegenkopplungswiderstandselementen (14) aufweist und – der Zwischen-Widerstand (10) eine Mehrzahl an Zwischen-Widerstandselementen (16) aufweist, – wobei je ein Gegenkopplungswiderstandselement (14) und ein Zwischen-Widerstandselement ein Widerstandspaar (12) bilden, wobei alle Widerstandspaare (12) das gleiche Widerstandsverhältnis (Q₁₂(n)) haben.Amplifier according to Claim 1, characterized in that - the first high-impedance negative feedback resistor ( 9 ) a plurality of negative feedback resistance elements ( 14 ) and - the intermediate resistance ( 10 ) a plurality of intermediate resistance elements ( 16 ), wherein each one negative feedback resistor element ( 14 ) and an intermediate resistor element a resistor pair ( 12 ), all resistance pairs ( 12 ) have the same resistance ratio (Q ₁₂ (n)). Verstärker nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Gegenkopplungswiderstandselemente (14) alle den gleichen elektrischen Widerstand (R₁₄) haben und/oder – die Zwischen-Widerstandselemente (16) alle den gleichen elektrischen Widerstand (R₁₆) haben.Amplifier according to claim 2, characterized in that - the negative feedback resistance elements ( 14 ) all have the same electrical resistance (R ₁₄ ) and / or - the intermediate resistance elements ( 16 ) all have the same electrical resistance (R ₁₆ ). Verstärker nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkopplungswiderstandselemente (14) und die Zwischen-Widerstandselemente (16) Dünnschichtwiderstände sind.Amplifier according to one of Claims 2 or 3, characterized in that the negative feedback resistance elements ( 14 ) and the intermediate resistance elements ( 16 ) Are thin film resistors. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Normalwiderstand (36) und eine Spannungsquelle (34), die so verschaltet sind, dass ein mit hoher Genauigkeit bekannter Strom zur Kalibrierung des Verstärkers erzeugt wird.Amplifier according to one of the preceding claims, characterized by a normal resistance ( 36 ) and a voltage source ( 34 ) connected to produce a high accuracy current for calibration of the amplifier. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch zumindest 100 identisch dimensionierte Widerstandspaare (12).Amplifier according to one of the preceding claims 2 to 5, characterized by at least 100 identically dimensioned resistor pairs ( 12 ). Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenkopplungswiderstandselemente (14) und die Zwischen-Widerstandselemente (16) auf einer Leiterplatte jeweils mäanderförmig und parallel zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den Mäanderbahnen Ausnehmungen (30) in der Leiterplatte angebracht sind.Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that the negative feedback resistance elements ( 14 ) and the intermediate resistance elements ( 16 ) are respectively arranged on a circuit board meander-shaped and parallel to each other, wherein between the meandering tracks recesses ( 30 ) are mounted in the circuit board. Verstärker nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flächenverhältnis zwischen einer Fläche eines Gegenkopplungswiderstandselements und eines Zwischen-Widerstandselements einen Wert von 1:1 bis 1:10 aufweist.Amplifier according to one of the preceding claims, characterized in that an area ratio between a surface of a negative feedback resistor element and an intermediate resistive element has a value of 1: 1 to 1:10. Verwendung eines Verstärkers nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Messen eines elektrischen Stroms von unter 1000 Pikoampere.Use of an amplifier according to any one of the preceding claims for measuring an electrical current of less than 1000 picoamps.

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