DE102014012341B4 - Stromquelle zur Erzeugung von elektrischen Strömen im Bereich unterhalb 10 Mikroampere - Google Patents

Abstract

Stromquelle (2) zur Erzeugung von elektrischen Strömen im Bereich unterhalb 10 Mikroampere, mit a. einem Stromeinspeisungspunkt (4), der zwischen einem ersten Widerstand (6) und einem zweiten Widerstand (8) angeordnet ist, wobei ein Widerstandswert des ersten Widerstands (6) zumindest 100 mal größer ist als ein Widerstandswert des zweiten Widerstands (8), b. einem Stromausgang (10), an dem ein durch den ersten Widerstand (6) fließender Strom abgegriffen werden kann und an den ein zu kalibrierendes Gerät (12) angeschlossen werden kann, c. einem ersten Operationsverstärker (14), dessen nichtinvertierender Eingang (14ni) mit einer Systemmasse (20) verbunden ist, dessen invertierender Eingang (14i) mit dem zweiten Widerstand (8) verbunden ist und der einen durch den zweiten Widerstand (8) fließenden Strom zusammen mit einem Gegenkopplungswiderstand (13) in eine Spannung umwandelt, d. einem Spannungsausgang (18), an dem die von dem ersten Operationsverstärker (14) bereitgestellte Spannung abgegriffen und gemessen werden kann, gekennzeichnet durch e. einen zweiten Operationsverstärker (16), dessen nichtinvertierender Eingang (16ni) mit der Systemmasse (20) verbunden ist und dessen invertierender Eingang (16i) mit dem Stromausgang (10) verbunden ist und f. einen Masseanschluss (22), der mit einem Ausgang (16A) des zweiten Operationsverstärkers (16) verbindbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Stromquelle zur Erzeugung von elektrischen Strömen im Bereich unterhalb 10 Mikroampere, mit einem Stromeinspeisungspunkt, der zwischen einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand angeordnet ist, wobei ein Widerstandswert des ersten Widerstands zumindest 100 mal größer ist als ein Widerstandswert des zweiten Widerstands, einem Stromausgang, an dem ein durch den ersten Widerstand fließender Strom abgegriffen werden kann und an den ein zu kalibrierendes Gerät angeschlossen werden kann, einem ersten Operationsverstärker, dessen nichtinvertierender Eingang mit einer Systemmasse verbunden ist, und der einen durch den zweiten Widerstand fließenden Strom in eine Spannung umwandelt, und einem Spannungsausgang, an dem die von dem ersten Operationsverstärker bereitgestellte Spannung abgegriffen und gemessen werden kann.
• Solche Stromquellen werden insbesondere genutzt, um Geräte zum Messen kleiner Ströme, sogenannte Pikoamperemeter, zu kalibrieren. Hierfür ist es notwendig, dass der von der Stromquelle bereitgestellte Strom mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Eine häufig verwendete Methode zur Erzeugung von Stromstärken unterhalb von 1 Nanoampere ist die Methode „Spannungsrampe an Kondensator” (siehe z. B. Willenberg et al., „a tracable precision current source for currents between 100 aA and 10 pA”, IEEE transactions an instrumentation and measurement Vol. 52, No. 2, April 2003). Dabei ergibt sich die minimale Standardunsicherheit zu etwa 10^–5 in Folge der Frequenzabhängigkeit der Kapazität. Hochpräzise, rauscharme Stromquellen sind für verschiedene Anwendungen, so zum Beispiel zu Kalibrierungszwecken, aber auch für die geplante neue quantenmechanische Definition der SI-Einheit Ampere wünschenswert.
• Die DE 197 36 224 A1 beschreibt ein Verfahren zur Durchführung von voltammetrischen Messungen an einem Zwei- oder Drei-Elektrodensystem, bei dem das Potential der Arbeitselektrode durch einen eigenen Regelkreis über einen Lastwiderstand gegen Masse des Messsystems gezogen wird.
• Wird ein Pikoamperemeter kalibriert, so ist dessen Eingangsimpedanz sehr klein, jedoch nicht exakt null, sodass über dem Pikoamperemeter eine kleine Spannung, die sogenannte „Bürden-Spannung”, abfällt. Bei der Kalibrierung mittels Spannungsrampe hat diese Bürden-Spannung keinen Einfluss, weil sie während der Messung konstant ist und daher keine Fehlerstrom durch den Kondensator verursacht. Bei der Erzeugung von Strömen über ohmsche Widerstände, wie mit einer Stromquelle der eingangs erwähnten Art, hat die Bürden-Spannung jedoch einen störenden Einfluss auf die Messgenauigkeit. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stromquelle der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, dass die über dem zu kalibrierenden Gerät abfallende Bürden-Spannung kompensiert wird, sodass diese keinen störenden Einfluss auf das Messergebnis hat.
• Die Erfindung löst das Problem durch eine Stromquelle mit den Merkmalen von Anspruch 1.
• Darunter, dass der Masseanschluss mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbindbar ist, wird verstanden, dass eine Verbindung herstellbar ist, insbesondere ist der Masseanschluss im Betrieb der Stromquelle in einem Stromerzeugungsmodus durch einen Schalter mit dem Ausgang des zweiten Operationsverstärkers verbunden.
• Unter einer Verbindung wird dabei eine elektrisch leitfähige Verbindung verstanden. Vorzugsweise sind zwei „verbundene” Elemente auf direktem Wege miteinander verbunden. Die Verbindung besteht dann z. B. aus einer einfachen Leiterbahn bzw. aus einem Draht oder Kabel. Es ist möglich, dass in der Schaltung zwischen zwei verbundenen Elementen noch weitere Elemente geschaltet sind. Diese dürfen dann aber keinen wesentlichen Einfluss auf die beschriebenen Eigenschaften der Schaltung nehmen.
• Eine solche Stromquelle ist nicht auf eine tiefe Umgebungstemperatur angewiesen und bietet die Möglichkeit, mittels des zweiten Operationsverstärkers den Stromausgang auf ein bekanntes Potenzial zu zwingen. Wird der Masseanschluss mit der Gerätemasse des zu kalibrierenden Geräts verbunden, findet effektiv eine Rückkopplung des Ausgangs des zweiten Operationsverstärkers über diese Gerätemasse auf den invertierenden Eingang des zweiten Operationsverstärkers statt. Der am Stromeinspeisungspunkt eingespeiste Strom fließt teilweise durch den ersten Widerstand und teilweise durch den zweiten Widerstand. Das zu kalibrierende Gerät, das an den Stromausgang angeschlossen ist, ist somit mit dem ersten Widerstand in Reihe geschaltet. Über dem zu kalibrierenden Gerät fällt eine endliche Spannung ab, sodass das Verhältnis der Widerstandswerte des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands nicht exakt dem Verhältnis der durch die beiden Widerstände fließenden Ströme entspricht, wenn die Bürden-Spannung nicht kompensiert wird. Die über dem zu kalibrierenden Gerät abfallende Bürden-Spannung führt so zu einer Messunsicherheit.
• Der zweite Operationsverstärker sorgt dafür, dass an der Seite des ersten Widerstands, die dem Stromeinspeisungspunkt gegenüberliegt, ein virtuelles Massepotential, d. h. ein Potential, das der Systemmasse entspricht, anliegt. Da der invertierende Eingang des ersten Operationsverstärkers ebenfalls mit der dem Stromeinspeisungspunkt gegenüberliegenden Seite des zweiten Widerstands verbunden ist, bedeutet dies, dass über beiden Widerständen eine identische Spannung abfällt. Somit entspricht das Verhältnis der durch die beiden Widerstände fließenden Ströme exakt dem inversen Verhältnis der Widerstandswerte. Der durch den zweiten Widerstand fließende Strom kann dann mittels des ersten Operationsverstärkers und des Gegenkopplungswiderstands in eine Spannung gewandelt werden, die hochpräzise, zum Beispiel mit einem rückgeführt kalibrierten Voltmeter, gemessen werden kann. Aus dieser Spannungsmessung kann dann mit hoher Genauigkeit auf den durch den ersten Widerstand und somit durch das zu kalibrierende Gerät fließenden Strom geschlossen werden, sodass eine hoch präzise Kalibrierung des Geräts ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Stromquelle ist somit geeignet, um elektrische Stromstärken unterhalb von 10 Mikroampere und insbesondere unterhalb von 1 Nanoampere zu erzeugen. Selbstverständlich sind auch Ströme im Bereich zwischen 1 Nanoampere und 10 Mikroampere möglich.
• Die einzelnen Operationsverstärker können aus komplizierteren Schaltungen bestehen, die vorzugsweise integriert ausgeführt sind und eine Mehrzahl von diskreten Operationsverstärkern umfassen können. Vorzugsweise weisen die verwendeten Operationsverstärker eine hohe Open-Loop-Verstärkung von z. B. zumindest 10⁹ auf.
• Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden unterschiedliche Massen verwendet. Unter der Systemmasse wird ein internes Massepotential verstanden, das für die geräteinterne Schaltung als Referenzpotential dient. Ggf. kann über einen Masseanschluss die interne Masse bzw. Systemmasse von außen bestimmt werden. Die Externe Masse ist ein von außen bestimmtes Massepotential. Dies kann z. B. die Gerätemasse eines angeschlossenen Messgeräts sein. Die Geräte- oder Gehäusemasse ist ein Massepotential, mit dem das Gehäuse der Stromquelle verbunden ist. Es kann identisch mit der externen Masse sein.
• In der Praxis ist es häufig von Vorteil, wenn der erste und/oder der zweite Widerstand jeweils aus einer Vielzahl von Widerständen bestehen, die miteinander in einer Reihenschaltung, einer Parallelschaltung oder einer Kombination daraus verschaltet sind. Auf diese Art und Weise können Technologien zur Herstellung der Widerstände eingesetzt werden, die nicht geeignet sind, um Einzelwiderstände der benötigten Größe, zum Beispiel mehrere Gigaohm, herzustellen. Durch eine entsprechende Verschaltung, zum Beispiel eine Reihenschaltung, kann erreicht werden, dass die hervorragende Temperatur- und Langzeitstabilität, zum Beispiel von Dünnschichtwiderständen, ausgenutzt und dennoch entsprechend hohe Widerstände bereitgestellt werden können.
• Der Aufbau einer erfindungsgemäßen Stromquelle ist ähnlich zu bereits bekannten Strommessgeräten, siehe zum Beispiel die deutsche Patentanmeldung DE 10 2012 020 148 A1 . Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst daher einen Schalter, mit dem zwischen einem Stromerzeugungsmodus und einem Stromstärkemessmodus umgeschaltet werden kann, wobei der Schalter in einer ersten Stellung den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Masseanschluss verbindet und in einer zweiten Stellung den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers mit dem Stromeinspeisungspunkt verbindet. Man erhält dann ein multifunktionales Gerät, das sowohl als Stromquelle als auch als Messgerät verwendet werden kann.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein erster Schaltungsteil, der den ersten Operationsverstärker und den zweiten Operationsverstärker umfasst, auf einer ersten Platine und ein zweiter Schaltungsteil, der den ersten Widerstand und den zweiten Widerstand umfasst, auf einer zweiten Platine angeordnet sind, zumindest eine der Platinen unabhängig von der anderen ausgetauscht werden kann. Die Stromquelle ist dann modular aufgebaut, sodass Reparaturen und gegebenenfalls Anpassungen der Stromquelle bzw. des Messgeräts an unterschiedliche Anforderungen einfach vorgenommen werden können. Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn der Gegenkopplungswiderstand auf einer separaten Platine angebracht ist, um einfach Anpassungen vornehmen zu können. Es können dann drei separate Platinen vorhanden sein.
• Vorzugsweise beträgt die Transresistanz der Stromquelle im Stromstärkemessmodus zumindest 10 Megaohm, bevorzugt zumindest 100 Megaohm und besonders bevorzugt zumindest 1 Gigaohm. Die Transresistanz beschreibt die Empfindlichkeit des Verstärkers: A_TR = V_OUT/I_IN. Besonders bei kleinen Stromstärken wird ein hoher Wert für A_TR benötigt, damit die zu messende Stromstärke I_IN eine ausreichend hohe Ausgangsspannung V_OUT verursacht. Mit einem externen Normalwiderstand R_EXT kann die Transresistanz A_TR auf z. B. 100 Gigaohm erhöht werden. Wenn Anschlüsse für einen solchen externen Normalwiderstand vorhanden sind wird es möglich, Widerstände als Normalwiderstand einzusetzen, die nicht mit dem Gehäuseformat kompatibel sind, weil sie z. B. zu groß sind. Weiterhin wird es möglich, temperaturstabilisierte Widerstände, beispielsweise unter Einsatz eines Thermostaten, zu nutzen.
• Hochsensible Geräte wie die erfindungsgemäße Stromquelle werden von kleinsten Fehlströmen gestört. Um elektrische Störungen zu minimieren und Temperaturgradienten im Innern des Gehäuses zu vermeiden, kann das Gehäuse z. B. durch Fräsen aus einem Metallblock hergestellt werden. Als Metall kann z. B. Aluminium, Messing oder Kupfer verwendet werden. Kupfer weist dabei die beste Kombination aus Stromleitfähigkeit und Temperaturleitfähigkeit auf. Weiterhin ist es möglich und vorteilhaft, verschiedene Guard-Techniken, wie zum Beispiel Guard-Schienen oder Abdeckplatinen mit passendem Potentialverlauf zu verwenden. Als Guard-Schiene wird dabei eine Kette von Widerständen bezeichnet, die parallel zu dem ersten und/oder dem zweiten Widerstand mit denselben Spannungen beaufschlagt wird und in elektrischen Kontakt z. B. mit Verschraubungspunkten von einer Platine, auf der die Widerstände angebracht sind, gebracht wird. Fehlerströme, die durch den mechanischen Kontakt z. B. an diesen Verschraubungspunkten mit dem Gehäuse auftreten können, fließen so zwischen der Guard-Schiene und dem Gehäuse, beeinflussen aber nicht die Schaltung der Stromquelle.
• Um eine möglichst gute Temperatur- und Langzeitstabilität der Stromquelle bzw. des Strommessgeräts zu erreichen, ist es notwendig, dass die verwendeten Widerstände ein möglichst gleichmäßiges Verhalten bezüglich ihrer Temperatur- und Langzeitstabilität zeigen. Dies kann zum einen erreicht werden, indem wie in der DE 10 2012 020 148 A1 beschrieben Widerstandspaare eingesetzt werden, die beispielsweise auf einem gemeinsamen Substrat befestigt werden, oder durch eine Ausgestaltung, bei der die Vielzahl der Widerstände des ersten und des zweiten Widerstands ein Netzwerk bilden, bei dem alle Widerstände des Widerstandsnetzwerks einen identischen Nennwert besitzen und aus einer einzigen Produktionscharge stammen. Auf diese Art und Weise werden systematische Fehler hinsichtlich der Temperatur- und Langzeitstabilität minimiert.
• Die Widerstände können beispielsweise in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Besonders geeignet ist hier die NiCr-Technik. Alternativen sind hier z. B. TaN₂ oder SiCr. Dies ist für die vorliegende Anwendung von Vorteil, da solche Widerstände eine ausgezeichnete Temperatur- und Langzeitstabiliät aufweisen. Da die Widerstandswerte der in Dünnschichttechnik hergestellten Widerstände nach oben begrenzt sind, kann es erforderlich sein, einen größeren Widerstand herzustellen, indem mehrere Widerstände in Serie geschaltet werden. Damit der erste und der zweite Widerstand möglichst identisch auf Änderungen der Umgebungsparameter oder sonstige Einflüsse reagieren, kann es vorteilhaft sein, wenn beide Widerstände aus einer zumindest ähnlichen, vorzugsweise nahezu identischen Anzahl von Einzelwiderständen bestehen. Als eine ähnliche Anzahl wird hierbei ein Verhältnis der beiden Anzahlen von Einzelwiderständen von 2:1 oder kleiner angesehen. Als nahezu identisch werden die Anzahlen von Einzelwiderständen angesehen, wenn sie voneinander um weniger als 10% abweichen. Eine ideale Ausgestaltung ergibt sich, wenn beide Anzahlen identisch sind. Da der erste Widerstand einen zumindest 100 mal größeren Widerstandswert als der zweite Widerstand aufweist, ist es hier notwendig, auch Parallelschaltungen von Einzelwiderständen vorzusehen, falls die Widerstände einen identischen Nennwert aufweisen.
• Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der erste Widerstand ein hochohmiger Widerstand ist und der zweite Widerstand ein niederohmiger Widerstand ist. Bevorzugt beträgt das Verhältnis der Widerstandswerte zumindest 100, besonders bevorzugt zumindest 1000. Das bedeutet, dass der Widerstandswert des ersten Widerstands zumindest das 100-fache, bevorzugt zumindest das 1000-fache des Widerstandswerts des zweiten Widerstands beträgt. Wenn die Widerstände ein Widerstandsnetzwerk bilden, so ist es vorteilhaft, eine möglichst große Anzahl von Widerständen zu verwenden, um große Gesamtwiderstände auf der hochohmigen Seite und somit ein niedriges Stromrauschen zu erreichen. Das Widerstandsnetzwerk kann also zum Beispiel zumindest 100, bevorzugt zumindest 1000 und besonders bevorzugt zumindest 3000 Widerstände umfassen. Sowohl der erste Widerstand als auch der zweite Widerstand können dabei aus zumindest 100, bevorzugt aus zumindest 1000 Einzelwiderständen bestehen. Eine hohe Anzahl von Einzelwiderständen bewirkt weiterhin, dass die Gesamtmenge des Widerstandsmaterials sich erhöht, so dass eventuelle Fehler sich tendenziell gegenseitig kompensieren, so dass eine erhöhte Genauigkeit erreicht wird.
• Vorzugsweise weisen alle Widerstände den gleichen Nennwert auf. Wenn der erste Widerstand beispielsweise einen Widerstandswert von 3 Gigaohm und der zweite Widerstand einen Widerstandswert von 3 Megaohm aufweisen, können diese Werte z. B. durch folgende Kombination von Chipwiderständen mit einem Widerstandswert von jeweils 2 Megaohm dargestellt werden: Das Widerstandsnetzwerk, also der erste Widerstand und der zweite Widerstand, kann aus 48 Basiselementen bestehen, die jeweils in Reihe geschaltet sind. Jedes Basiselement besteht auf der hochohmigen Seite, die den ersten Widerstand repräsentiert, aus jeweils 31 einzelnen Chipwiderständen, die in Reihe geschaltet sind und auf der niederohmigen Seite, die den zweiten Widerstand repräsentiert, aus jeweils 32 parallel geschalteten einzelnen Chipwiderständen.
• Die niederohmige Seite weist somit einen Widerstand von genau 3 Megaohm auf, wohingegen die hochohmige Seite durch weitere 24 Widerstandspaare, die jeweils parallel zueinander geschaltet werden, auf einen Gesamtwiderstand von 3 Gigaohm gebracht wird. Das Widerstandsverhältnis von hochohmiger zu niederohmiger Seite beträgt somit exakt 1000 und beide Seiten bestehen aus exakt 32 × 48 = 1536 Einzelwiderständen.
• Die beschriebene Variante ergibt eine extrem rauscharme Konfiguration. Chipwiderstände mit einem Widerstandswert von 2 Megaohm sind mit einer Genauigkeit von +/–0,1% und einem Temperaturkoeffizient TK 25 (+/–25 ppm/K) verfügbar. Im Stromstärkemessmodus ergibt sich in dieser Konfiguration einschließlich des Beitrags des zweiten Operationsverstärkers ein Rauschen von 2,5 fA/Hz^1/2 sowie eine Transresistanz von A_TR = 1000 × 1 Megaohm = 1 Gigaohm. Werden Chipwiderstände mit einem Einzelwiderstandswert von 200 Kiloohm verwendet, die mit einer Genauigkeit von +/–0,01% und einem TK 10 verfügbar sind, so ergibt sich ein höheres Rauschen von 7,5 fA/Hz^1/2 und eine geringere Transresistanz von 100 Megaohm, allerdings eine deutlich bessere Stabilität. Es können beispielsweise Widerstände im Format 0805, also mit Abmessungen von 2 mm × 1,25 mm verwendet werden. Die Widerstände des Widerstandsnetzwerks können temperaturbehandelt, also „annealed” werden. Beispielsweise kann das Widerstandsnetzwerk für einige Stunden bei einer Temperatur von ca. 150°C erhitzt werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Stromquelle einen zweiten Kanal umfasst. Dieser umfasst dann zumindest einen dritten Widerstand, einen vierten Widerstand, einen dritten Operationsverstärker und einen vierten Operationsverstärker, wobei der Widerstandswert des dritten Widerstands zumindest 100 mal größer ist als der Widerstandswert des vierten Widerstands und wobei zumindest einer der Kanäle im Strommessmodus betrieben werden kann, während der andere Kanal im Stromerzeugungsmodus betrieben wird. In anderen Worten können also zwei erfindungsgemäße Stromquellen zu einem Gerät kombiniert werden, was die Anwendungsmöglichkeiten erhöht. Alle beschriebenen Ausgestaltungen sind sowohl für den ersten Kanal als auch für den zweiten Kanal möglich. So kann beispielsweise ein Kanal zum Kalibrieren des anderen Kanals verwendet werden. Ebenso ist es möglich, die beiden Kanäle mit unterschiedlichen Charakteristiken auszustatten, sodass verschiedene Anwendungsbereiche optimal abgedeckt werden können. So kann zum Beispiel durch Anpassung der verwendeten Widerstände der Fokus auf ein möglichst geringes Rauschen gelegt werden. Alternativ kann unter Inkaufnahme eines erhöhten Rauschwerts der Fokus auf die Stabilität des Geräts gerichtet werden.
• Der Stromeinspeisungspunkt kann von einer internen Spannungsquelle gespeist werden. Alternativ umfasst die Stromquelle einen Anschluss für eine externe Spannungsquelle. Dies führt zu einem relativ kompakten Gerät und vereinfacht den Aufbau. Als externe Stromquelle kann zum Beispiel ein Funktionsgenerator genutzt werden. Dieser muss keine besonders hohen Anforderungen an Genauigkeit oder Stabilität erfüllen.
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben werden. Es zeigen:
• 1a – ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle im Stromstärkemessmodus;
• 1b – ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle im Stromquellenmodus;
• 2a – ein Ersatzschaltbild eines Strommessgeräts, auf dem die Erfindung basiert;
• 2b – ein Ersatzschaltbild eines entsprechenden Strommessgeräts mit einem externen Gegenkopplungswiderstand;
• 3 – ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle mit zwei Kanälen;
• 4a – einen Aufbau zur Kalibrierung der Stromverstärkungsstufe; und
• 4b – einen Aufbau zur Kalibrierung der Ausgangsstufe.
• 1a zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle im Stromstärkemessmodus. In diesem Modus verbindet der Schalter 24 den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 16 _A mit dem Stromeinspeisungspunkt 4 und somit mit dem ersten Widerstand 6 und dem zweiten Widerstand 8. Die Messstromquelle 42 liefert einen Strom I₁, der über den nominellen Stromausgang 10 eingeleitet wird. Mittels des zweiten Operationsverstärkers 16 und des ersten Widerstands 6 wird der Strom verstärkt. Durch den zweiten Widerstand 8 fließt der verstärkte Strom I₂ in den Strom-Spannungs-Wandlungs-Schaltkreis, der aus dem ersten Operationsverstärker 14 und dem Gegenkopplungswiderstand 13 besteht. Über dem Gegenkopplungswiderstand 13, der zum Beispiel einen Widerstandswert von einem Megaohm aufweisen kann, fällt dann eine Spannung ab, die von dem Voltmeter 46 gemessen werden kann. Hochpräzise, rückgeführt kalibrierte Voltmeter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Der Strom I₂ kann somit hochpräzise vermessen werden. Ist das Verhältnis der beiden Ströme I₂ und I₁ bekannt, so kann auf diese Art und Weise indirekt auch der Strom I₁ bestimmt werden. Das angesprochene Verhältnis hängt von dem Verhältnis der Widerstandswerte des ersten Widerstands 6 und des zweiten Widerstands 8 zueinander ab. Es ist daher für eine entsprechende Stromstärkemessung von höchster Bedeutung, dass dieses Verhältnis genau bekannt und konstant ist. Der erste Widerstand 6 hat im gezeigten Beispiel einen Nennwert von 3 Gigaohm. Der zweite Widerstand 8 besitzt einen Nennwert von 3 Megaohm, so dass sich ein Verhältnis von 1000:1 ergibt. In allen Figuren sind die eingezeichneten Widerstände als Beispielswerte zu verstehen und dienen lediglich der einfacheren Lesbarkeit. Prinzipiell sind für die Nennwerte der Widerstände keine Einschränkungen vorhanden. Die eingezeichneten Spannungen von +/–5 V und +/–44 V sind Beispielswerte für die Dynamikbereiche der Operationsverstärker 14 und 16.
• Die nicht invertierenden Eingänge der beiden Operationsverstärker 14 _ni und 16 _ni sind mit der Systemmasse 20 verbunden. Diese wiederum ist über den Anschluss 50 mit der externen Masse 44 verbunden, die gleichzeitig die Gehäusemasse ist. In der in 1a gezeigten Schaltung existiert somit lediglich ein einziges Massepotential.
• 1b zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle im Stromquellenmodus. Im Vergleich zur in 1a gezeigten Situation verbindet der Schalter 24 nun den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 16 _A mit dem Masseanschluss 22, welcher wiederum mit der externen Masse 44 verbunden ist. Das am Stromausgang 10 angeschlossene zu kalibrierende Gerät 12 ist ebenfalls mit der externen Masse 44 verbunden, sodass auf diese Weise eine Rückkopplung vom invertierenden Eingang 16 _i des zweiten Operationsverstärkers 16 auf den Ausgang 16 _A des zweiten Operationsverstärkers 16 gewährleistet ist. Der zweite Operationsverstärker 16 sorgt nun dafür, dass seine beiden Eingänge 16 _ni und 16 _i auf dem gleichen Potential liegen, was bedeutet, dass der invertierende Eingang 16 _i ebenfalls auf dem Potential der Systemmasse 20 liegt.
• Im oberen Bereich ist die an den Anschluss für eine Stromquelle 36 angeschlossene Spannungsquelle 40 zu sehen. Diese liefert einen Strom I₀ an den Stromeinspeisungspunkt 4. Entsprechend des Verhältnisses der Widerstandswerte des ersten Widerstands 6 und des zweiten Widerstands 8 teilt sich dieser Strom nun in die Ströme I₁ und I₂ auf. Die beiden Widerstände 6 und 8 sind jeweils auf ihrer einen Seite mit dem Stromeinspeisungspunkt 4 und somit mit der Stromquelle bzw. dem Funktionsgenerator 40 verbunden. Auf der anderen Seite sind beide Widerstände 6, 8 mit den invertierenden Eingängen 14 _i, 16 _i verbunden, welche jeweils auf dem Potenzial der Systemmasse 20 liegen. Es fällt daher über beiden Widerständen exakt die gleiche Spannung ab, sodass das Verhältnis der Widerstandswerte der beiden Widerstände 6, 8 ebenfalls exakt dem inversen Verhältnis der beiden Ströme I₁ und I₂ entspricht. Mit Hilfe des Gegenkopplungswiderstands 13 und des ersten Operationsverstärkers 14 wird im rechten Bereich der Schaltung der Strom I₂ in eine Spannung gewandelt und mittels des Voltmeters 46 vermessen. Da der Strom I₂ nun ebenso wie das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 6, 8 zueinander bekannt ist, ist auch der Strom I₁ bekannt. Die Stromstärke I₁ kann nun mit dem Wert, den das zu kalibrierende Gerät 12 anzeigt, verglichen werden, womit eine Kalibrierung des zu kalibrierenden Geräts 12 möglich wird.
• Würde der zweite Operationsverstärker 16 aus der Schaltung entfernt, so würde ein Teil der vom Funktionsgenerator 40 gelieferten Spannung über den Widerstand 6 abfallen und ein weiterer Teil über dem zu kalibrierenden Gerät 12.
• Dieser über dem zu kalibrierenden Gerät 12 abfallende Spannungsanteil, die sogenannte „Bürden-Spannung”, ist nicht bekannt, sodass auch die exakte über dem ersten Widerstand 6 abfallende Spannung nicht bekannt ist. Somit kann aus dem mittels des Voltmeters 46 vermessenen Stroms I₂ nicht exakt auf die Größe des durch den ersten Widerstand 6 fließenden Stroms I₁ geschlossen werden.
• 2a zeigt im Wesentlichen die gleiche Situation wie 1a. Im gezeigten Ersatzschaltbild ist allerdings weder der Schalter 24, noch der Masseanschluss 22 oder der Anschluss für eine Stromquelle 36 vorhanden. Es ist also ein reines Strommessgerät ohne Stromquellenfunktion gezeigt. Die beschriebenen Ausgestaltungen des Strommessgeräts sind selbstverständlich ebenfalls zur Modifizierung einer Stromquelle einsetzbar. 2b zeigt das Strommessgerät aus 2a, bei dem der Schalter 52 geöffnet ist. Das Voltmeter 46 ist nicht wie in 1a mit dem Spannungsausgang 18 verbunden, sondern mit dem Spannungsausgang 19 und über den externen Widerstand 48 mit dem Gegenkopplungsanschluss 54 verbunden. Der interne Gegenkopplungswiderstand 13 ist in der gezeigten Konfiguration somit funktionslos. Die Strom-Spannungs-Wandlung wird von dem ersten Operationsverstärker 14 und dem externen Widerstand 48 bewirkt. Es ist so möglich, auf einfache Art und Weise unterschiedliche Gegenkopplungswiderstände zur Strom-Spannungs-Wandlung vorzusehen.
• 3 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle mit zwei Kanälen. Der obere (erste) Kanal mit den Widerständen 6, 8 und den Operationsverstärkern 14, 16 und der untere (zweite) Kanal mit den Widerständen 28, 30 und den Operationsverstärkern 32, 34 sind dabei im Wesentlichen gleich aufgebaut, allerdings ist im ersten Kanal der erste Operationsverstärker 14 elektronisch vom Rest der Schaltung getrennt und somit deaktiviert. Der erste Operationsverstärker 14 ist kurzgeschlossen und von der restlichen Schaltung isoliert. Anstatt des Schalters 52 ist im ersten Kanal ein weiterer Widerstand 56 vorgesehen.
• Die beiden Kanäle sind in einer Selbst-Test-Konfiguration geschaltet, mit der die beiden Widerstandsnetzwerke 6, 8 und 28, 30 miteinander verglichen werden können. Der als Stromquelle fungierende erste Kanal stellt am Stromausgang 10 einen Teststrom für den zweiten Kanal zur Verfügung, der im Strommessmodus betrieben wird. Der durch den Widerstand 6 fließende Teststrom wird über den in diesem Fall als Stromeingang fungierenden Anschluss 58 eingekoppelt. Der durch den Widerstand 8 fließende Strom wird dem zweiten Kanal ebenfalls zugeführt, indem die beiden Gegenkopplungsanschlüsse 54 und 60 miteinander verbunden werden.
• Der zweite Kanal gibt am Spannungsausgang 18 eine Fehlerspannung aus, die von dem durch den zweiten Gegenkopplungswiderstand 38 fließenden Strom verursacht wird. Aus ihr kann auf unterschiedliche Widerstandsverhältnisse der Widerstandsnetzwerke 6, 8 und 28, 30 geschlossen werden. Die Widerstände 6 und 28 haben im gezeigten Beispiel wiederum Nennwerte von 3 Gigaohm. Die Widerstände 8 und 30 besitzen Nennwerte von 3 Megaohm, so dass sich wiederum ein Verhältnis von 1000:1 ergibt.
• 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Stromquelle, die in zwei Schritten kalibriert wird. In 4a ist dabei die Kalibrierung der Stromverstärkungsstufe mit dem zweiten Operationsverstärker 16 dargestellt, und 4b zeigt die Kalibrierung der Ausgangsstufe mit dem ersten Operationsverstärker 14. Für beide Kalibrierungen wird dabei ein CCC (Kryostromkomparator) 62 verwendet. Die Widerstandsbrücke des CCC 62 beinhaltet zwei Stromquellen I₃ und I₄. Ein vertikaler Pfeil zeigt dabei an, welche der Stromquellen durch die externe Rückkopplungsschleife des SQUID 64 kontrolliert wird. Der negative Eingang des Nanovoltmeters 70 ist mit dem Gehäuse 26 verbunden, was durch den ausgefüllten Punkt dargestellt wird. In 4a wird eine zusätzliche Wicklung des CCC mit einer passenden Anzahl von Windungen verwendet, um den magnetischen Fluss, der von dem Strom I₃ erzeugt wird, auszugleichen. Die Widerstandsbrücke misst mittels des Spannungsabfalls über dem kalibrierten Widerstand 66 den Verstärkungsfehler.
• Im zweiten Schritt wird in 4b R_IV, also das Verhältnis der über dem Gegenkopplungswiderstand 13 abfallenden Spannung zu dem durch den Gegenkopplungswiderstand 13 fließenden Strom, direkt mit dem Quanten-Hall-Widerstand 68 oder alternativ mit einem rückgeführt kalibrierten Normalwiderstand verglichen. Die Verbindung zwischen dem Gegenkopplungsanschluss 22 und dem Stromausgang 10 bewirkt eine Rückkopplung für den Operationsverstärker 16, so dass die Funktionalität der Schaltung sichergestellt wird.
• Bezugszeichenliste

2

Stromquelle

4

Stromeinspeisungspunkt

6

erster Widerstand

8

zweiter Widerstand

10

Stromausgang

12

zu kalibrierendes Gerät

13

Gegenkopplungswiderstand

14

erster Operationsverstärker

14_i

invertierender Eingang des ersten Operationsverstärkers

14_ni

nicht invertierender Eingang des ersten Operationsverstärkers

14_A

Ausgang des ersten Operationsverstärkers

16

zweiter Operationsverstärker

16_i

invertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers

16_ni

nicht invertierender Eingang des zweiten Operationsverstärkers

16_A

Ausgang des zweiten Operationsverstärkers

18

Spannungsausgang

19

zweiter Spannungsausgang

20

Systemmasse

22

Masseanschluss

24

Schalter

26

Gehäuse

28

dritter Widerstand

30

vierter Widerstand

32

dritter Operationsverstärker

34

vierter Operationsverstärker

36

Anschluss für Spannungsquelle

38

zweiter Gegenkopplungswiderstand

40

Funktionsgenerator

42

Messstromquelle

44

externe Masse

46

Voltmeter

48

externer Widerstand

50

Anschluss

52

Schalter

54

Gegenkopplungsanschluss

56

Widerstand

58

Stromeingang

60

Gegenkopplungsanschluss

62

CCC

64

SQUID

66

Widerstand

68

Quanten-Hall-Widerstand

70

Nanovoltmeter

I₀

Strom

I₁

Strom

I₂

Strom

I₃

Strom

I₄

Strom

Claims (10)

1. Stromquelle (2) zur Erzeugung von elektrischen Strömen im Bereich unterhalb 10 Mikroampere, mit a. einem Stromeinspeisungspunkt (4), der zwischen einem ersten Widerstand (6) und einem zweiten Widerstand (8) angeordnet ist, wobei ein Widerstandswert des ersten Widerstands (6) zumindest 100 mal größer ist als ein Widerstandswert des zweiten Widerstands (8), b. einem Stromausgang (10), an dem ein durch den ersten Widerstand (6) fließender Strom abgegriffen werden kann und an den ein zu kalibrierendes Gerät (12) angeschlossen werden kann, c. einem ersten Operationsverstärker (14), dessen nichtinvertierender Eingang (14ni) mit einer Systemmasse (20) verbunden ist, dessen invertierender Eingang (14i) mit dem zweiten Widerstand (8) verbunden ist und der einen durch den zweiten Widerstand (8) fließenden Strom zusammen mit einem Gegenkopplungswiderstand (13) in eine Spannung umwandelt, d. einem Spannungsausgang (18), an dem die von dem ersten Operationsverstärker (14) bereitgestellte Spannung abgegriffen und gemessen werden kann, gekennzeichnet durch e. einen zweiten Operationsverstärker (16), dessen nichtinvertierender Eingang (16ni) mit der Systemmasse (20) verbunden ist und dessen invertierender Eingang (16i) mit dem Stromausgang (10) verbunden ist und f. einen Masseanschluss (22), der mit einem Ausgang (16A) des zweiten Operationsverstärkers (16) verbindbar ist.
2. Stromquelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (6) und der zweite Widerstand (8) jeweils aus einer Vielzahl von Widerständen bestehen, die miteinander in einer Reihenschaltung, einer Parallelschaltung oder einer Kombination daraus verschaltet sind.
3. Stromquelle (2) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schalter (24), mit dem zwischen einem Stromerzeugungsmodus und einem Stromstärkemessmodus umgeschaltet werden kann, wobei der Schalter in einer ersten Stellung den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (16 _A) mit dem Masseanschluss (22) und in einer zweiten Stellung den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers (16 _A) mit dem Stromeinspeisungspunkt (4) verbindet.
4. Stromquelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schaltungsteil, der den ersten Operationsverstärker (14) und den zweiten Operationsverstärker (16) umfasst, auf einer ersten Platine und ein zweiter Schaltungsteil, der den ersten Widerstand (6) und den zweiten Widerstand (8) umfasst, auf einer zweiten Platine angeordnet sind, wobei zumindest eine der Platinen unabhängig von der anderen ausgetauscht werden kann.
5. Stromquelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Transresistanz im Stromstärkemessmodus bei zumindest 10 Megaohm liegt.
6. Stromquelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse umfasst, das aus einem Metallblock hergestellt wurde.
7. Stromquelle (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Widerstand (6) und der zweite Widerstand (8) ein Widerstandsnetzwerk bilden und alle Widerstände des Widerstandsnetzwerks einen identischen Nennwert besitzen und aus einer einzigen Produktionscharge stammen.
8. Stromquelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und/oder der zweite Widerstand (6, 8) jeweils aus zumindest 100 Einzelwiderständen besteht.
9. Stromquelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen zweiten Kanal umfasst, der einen dritten Widerstand (28), einen vierten Widerstand (30), einen dritten Operationsverstärker (32) und einen vierten Operationsverstärker (34) umfasst, wobei ein Widerstandswert des dritten Widerstands (28) zumindest 100 mal größer ist als ein Widerstandswert des vierten Widerstands (30) und wobei zumindest einer der Kanäle im Stromstärkemessmodus betrieben werden kann, während der andere Kanal im Stromerzeugungsmodus betrieben wird.
10. Stromquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Anschluss (36) für eine externe Spannungsquelle umfasst, der mit dem Stromeinspeisungspunkt (4) verbunden ist.

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