SI21892A - Postopek in vezje za merjenje zelo nizke jakosti elektricnega toka - Google Patents

Abstract

Merjenje zelo nizke jakosti elektricnega toka se izvaja z integriranjem le-tega v integracijskih ciklih s casovno dolzino ti in merjenjem najvecje vrednosti zagaste elektricne napetosti na izhodu integrirnega vezja vsakic ob koncu integracijskega cikla, pri cemer se iz te zagaste elektricne napetosti odfiltrirajo komponente napetosti suma, izvirajocega od operacijskega ojacevalnika v integrirnem vezju, s frekvenco nad mejno frekvenco z vrednostjo reda velikosti (0,1 x 2 x Pi x ti)exp-1 in se odfiltrirane zagaste elektricne napetosti odstejejokomponente suma, ki izvirajo od visokofrekvecnih komponent napetosti omenjenega Johnsonovega suma, ki se kot prekrivno popacenje pojavijo v nizkofrekvencnem delu spektra zagaste elektricne napetosti.Na racun zmanjsanja tako neposrednega kot tudi prekrivnega prispevka Johnsonovega suma operacijskega ojacevalnika v merilnem vezju se doseze visja absolutna tocnost meritve.

Description

Postopek in vezje za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka

Izum se nanaša na postopek in vezje za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka z integriranjem le-tega v integracijskih ciklih in merjenjem največje vrednosti žagaste električne napetosti na izhodu integrimega vezja vsakič ob koncu integracijskega cikla, pri čemer sta postopek in vezje po izumu izpopolnjena tako, da se v izhodni električni napetosti zmanjša neposredni in prekrivni prispevek šuma, ki izvira iz operacijskega ojačevalnika v integrimem vezju.

Izum je po mednarodni klasifikaciji patentov uvrščen v razred G 0 IR 19/10.

Naloga izuma je predlagati, kako naj se izpopolnita postopek in vezje za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka s pomočjo integriranja le-te po času, da se bo v izhodni električni napetosti zmanjšal vpliv šuma, ki izvira iz operacijskega ojačevalnika v integrimem vezju.

Zelo šibek električni tok se običajno integrira po času, da se izmeri njegova jakost. Takšno merjenje po stanju tehnike je prikazano z delom vezja na sl. 1. Električni tok i iz tokovnega vira se vodi na vhod operacijskega ojačevalnika A, katerega izhod je preko integracijskega kondenzatorja Ci priključen na vhod le-tega. V izhodni napetosti uo pa je primešan šum operacijskega ojačevalnika A v integrimem vezju.

Po eni strani gre za neposreden prispevek šuma - Johnsonovega šuma in 1/f šuma (flicker noise) - operacijskega ojačevalnika A, katerega vir je na sl. 1 predstavljen z generatorjem G šumne napetosti un. Generator G je priključen med priključno sponko za referenčno napetost Uref in referenčnim vhodom operacijskega ojačevalnika A. Za ponazoritev šumnega učinka naj generator G generira sinusen signal un z amplitudo 10 mV in frekvenco 100 kHz (okno 5 na sl. 2). In če električen tok i (50 nA) izhaja iz tokovnega vira z zelo veliko notranjo upornostjo in njej vzporedno kapacitivnostjo Ccs (100 pF), je prispevek šumne napetosti un v izhodni napetosti uo operacijskega ojačevalnika A ojačen za faktor 1 + Ccs/Ci, oziroma 11-krat (okno 1 na sl. 2), če se v simulaciji uporabi integracijski kondenzator Ci s kapacitivnostjo 10 pF.

Če je jakost električnega toka i stalna, električna napetost uo na izhodu integracijskega vezja enakomerno narašča (okno 1 na sl. 2). Vendar napetost uo lahko naraste le do napajalne napetosti operacijskega ojačevalnika, nakar se integriranje prekine in integracijski kondenzator Ci se izprazni preko resetimega stikala Srl. Električna napetost uo na izhodu integracijskega vezja ima žagasto obliko. Integracijski cikel - v simulaciji s časom trajanja 300 ps - se ponavlja.

Po drugi strani pa gre pri izhodni napetosti uo primešanem šumu tudi za prekrivni prispevek šuma operacijskega ojačevalnika A zaradi preklapljanja resetimega stikala Srl, ki omogoča periodično praznjenje integracijskega kondenzatoija Ci. Prekrivno popačenje (aliasing) se pojavi pri prekinitvi zveznega signala. Gre za pojav, pri katerem se visokofrekvenčne komponente izvornega analognega signala, katerih frekvenca presega polovično frekvenco vzorčenja, v izhodnem signalu pojavijo kot nizkofrekvenčne komponente. Ko je resetimo stikalo Srl sklenjeno, napetost na sponki tokovnega vira sledi tudi na vhodu za referenčno napetost operacijskega ojačevalnika A prisotni šumni napetosti un. Zato neposredno po razklenitvi resetimega stikala Srl na tej sponki ostane napetost s trenutno vrednostjo vsote referenčne napetosti in šumne napetosti un. Iz kondenzatoija s kapacitivnostjo Ccs se tedaj v integracijski kondenzator Ci pretoči električen naboj, ki ustreza razliki poznejše trenutne vrednosti šumne napetosti in vrednosti šumne napetosti v trenutku razklenitve resetimega stikala Srl, zaradi česar se izhodna napetost uo spemeni za omenjeno razliko, pomnoženo s faktoijem Ccs/Ci. Zaradi sklenitve in razklenitve resetimega stikala Srl se torej v izhodno napetost uo prenese tudi opisani prispevek šumne napetosti un operacijskega ojačevalnika A, in sicer z ojačenjem Ccs/Ci. Kaže pa se kot naključno spreminjanje začetne vrednosti izhodne napetosti uo od enega integracijskega cikla do drugega (okno 2 na sl. 2).

Oba prispevka šuma operacijskega ojačevalnika A v izhodni napetosti uo integracijskega vezja se odražata v vzorčeni napetosti uol (okno 3 na sl. 2), iz katere se pri meritvi po stanju tehnike določi jakost električnega toka i. Vzorčenje se s stikalom S', kije krmiljeno z 1 ps trajajočim signalom s, izvaja vsakič 1 ps pred koncem integracijskega cikla (okno 4 na sl. 2). Vzorčena napetost uol se spreminja kar za 300 mV; neposreden prispevek šuma operacijskega ojačevalnika A je 220 mV (11 x 10 mV x 2), 80 mV pa je prekrivni prispevek tega šuma.

Navedena naloga je rešena s postopkom po izumu, opredeljenim z značilnostmi iz označujočega dela prvega patentnega zahtevka, in z vezjem po izumu, opredeljenim z značilnostmi iz označujočega dela drugega patentnega zahtevka, podzahtevki pa opredeljujejo variante osnovnega izvedbenega primera vezja po izumu.

Postopek in vezje po izumu za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka se odlikujeta po zmanjšanju tako neposrednega kot tudi prekrivnega prispevka šuma operacijskega ojačevalnika v merilnem vezju in na ta račun doseženi višji absolutni točnosti meritve.

Izum bo v nadaljnjem podrobno obrazložen na osnovi opisa izvedbenega primera postopka in vezja po izumu ter pripadajočega načrta, ki prikazuje na sl. 1 vezje po izumu za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka, katerega del je znano tovrstno vezje, sl. 3 za primer vezja, ki se od vezja po izumu razlikuje v tem, da je brez prvega nizkopasovnega sita, grafe časovnega poteka simulirane električne napetosti na izhodu integrimega vezja, iste simulirane napetosti v povečanem merilu na začetku integracijskih ciklov, simulirane popravljalne električne napetosti na izhodu popravljalnega vezja, krmilnega signala za izvajanje resetiranja kondenzatorjev in krmilnega signala za izvajanje popravljanja izhodne napetosti in simulirane vzorčene izhodne električne napetosti po stanju tehnike oziroma ob upoštevanju le popravka za prekrivni prispevek šuma operacijskega ojačevalnika zaradi preklapljanja resetimega stikala za periodično praznjenje integracijskega kondenzatorja in sl. 4 za primer vezja po izumu grafe časovnega poteka simulirane električne napetosti na izhodu integrimega vezja, simulirane napetosti za nizkopasovnim sitom oziroma le-te, popravljene za prekrivni prispevek šuma operacijskega ojačevalnika zaradi preklapljanja resetimega stikala za periodično praznjenje integracijskega kondenzatorja, in simulirane vzorčene izhodne električne napetosti vezja po stanju tehnike oziroma vezja po izumu.

Po postopku po izumu se znani postopek za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka izpopolni s tremi dodatnimi koraki.

Najprej se iz žagaste električne napetosti uo na izhodu integrimega vezja s periodo ti odfiltrirajo komponente napetosti šuma, ki izvirajo iz operacijskega ojačevalnika v integrimem vezju in katerih frekvenca leži nad mejno frekvenco z vrednostjo reda velikosti (θ,1 χ 2,τ χ ti) ¹. Dobi se filtrirana žagasta električna napetost uo' (okno 2 na sl. 4).

Nato se v kratkem časovnem intervalu reda velikosti med 0.01 x ti in 0,20 x ti na začetku vsakega integracijskega cikla, ko je prispevek integrala merjenega toka i k električni napetosti uo še majhen, izmeri srednja vrednost uc preostale šumne napetosti v filtrirani žagasti električni napetosti uo'.

V filtrirani žagasti električni napetosti uo' so namreč še vedno prisotne tako komponente napetosti šuma, ki izvirajo iz operacijskega ojačevalnika v integrimem vezju in katerih frekvenca leži pod mejno frekvenco z vrednostjo reda velikosti (θ,1 χ 2π χ h)¹, kot tudi komponente šuma, ki izvirajo od visokofrekvečnih komponent napetosti omenjenega šuma, ki se kot prekrivno popačenje pojavijo v nizkofrekvenčnem delu spektra žagaste električne napetosti uo.

In končno se izmeijena srednja vrednost uc preostale šumne napetosti odšteje od filtrirane žagaste električne napetosti uo'. Dobi se popravljena napetost uoc (okno 2 na sl. 4), ki se vzorčena pojavi na izhodu vezja po izumu kot električna napetost uo3 (okno 3 na sl. 4).

Predstavljeni postopek po izumu se izvaja z vezjem po izumu za meijenje zelo nizke jakosti električnega toka (sl. 1). Vezje po izumu je izpopolnjeno, uvodoma predstavljeno vezje po stanju tehnike.

Žagasta električna napetost uo z izhoda operacijskega ojačevalnika A oziroma integrimega vezja se preko prvega nizkopasovnega sita Flp z zgornjo mejno frekvenco z vrednostjo reda velikosti (θ,1 χ 2π χ ti)vodi na prištevalni vhod napetostnega seštevalnika Av, pri čemer je ti časovna dolžina integracijskih ciklov.

Izhod napetostnega seštevalnika Av je priključen na vhod popravljalnega vezja Cc po izumu in na prvo sponko vzorčevalnega stikala S, na katerega drugi sponki se odvzema izhodna napetost uo3 vezja po izumu za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka i.

Popravljalno vezje Cc obstoji iz drug za drugim zaporedno vezanih operacijskega ojačevalnika A', katerega neinvertirajoči vhod je priključen na izhod napetostnega seštevalnika Av, drugega nizkopasovnega sita Flp', stikala Sc za obnavljanje napetosti uc popravka in kondenzatorja Cs, ki je z eno sponko priključen na maso in je predviden za pomnenje napetosti uc popravka.

Izhod popravljalnega vezja Cc je priključen na odštevalni vhod napetostnega seštevalnika Av.

Na začetku vsakega integracijskega cikla se sklene stikalo Sc, da se obnovi napetost uc popravka. Časovna konstanta drugega nizkopasovnega sita Flp' se izbere tako, da je časovna konstanta popravljalnega vezja Cc približno trikrat krajša od časa, v katerem je stikalo Sc sklenjeno in v katerem se nastavi in ustali vrednost popravljalne električne napetosti uc, ta čas pa se ravna po času trajanja ti integracijskega cikla. Čim daljši čas je stikalo Sc sklenjeno, tem večji je v izmerjeni vrednosti popravljalne elekt7 rične napetosti uc neželjen prispevek integrala merjene jakosti električnega toka i. Po drugi strani pa niso zajeti prispevki komponent šumne napetosti z nizkimi frekvencami, če je stikalo Sc sklenjeno premalo časa. Zato krmilni signal c sklene stikalo Sc za čas, ki se ravna po času trajanja ti integracijskega cikla, in sicer prednostno za čas med 0.01 x ti in 0,20 x ti.

Ob koncu vsakega integracijskega cikla pripadajoče krmiljeno stikalo Sr2, Sr3, ki je krmiljeno z resetimim signalom r, izprazni kondenzator v prvem nizkopasovnem situ Flp oziroma kondenzator v drugem nizkopasovnem situ Flp'.

V izpopolnjenih postopku in vezju za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka se iz izhodne napetosti uo integrimega vezja izloči šumna napetost. Sestavljena je iz neposrednega prispevka Johnsonovega šuma operacijskega ojačevalnika A in prekrivnega prispevka Johnsonovega šuma operacijskega ojačevalnika A zaradi preklapljanja resetimega stikala Srl za periodično praznjenje integracijskega kondenzatoija Ci.

V prvem prispevku je efektivna vrednost šumne napetosti sorazmerna s kvadratnim korenom v meritvi zajete širine frekvenčnega pasu v delu, ko gre za Johnsonov šum, in je obratno sorazmerna s frekvenco v delu, ko gre za 1/f šum. Navzgor je frekvenčni pas šumne napetosti na izhodu integrimega vezja omejen s časovno konstanto, ki jo določata upornost resetimega stikala Srl, ko je sklenjeno, in kapacitivnost Ccs tokovnega vira. Ta časovna konstanta mora biti majhna, tako da pol, ki ga predstavlja, leži v visokofrekvenčnem področju, oziroma nad zgornjo mejo frekvenčnega pasu operacijskega ojačevalnika A, da ta lahko deluje stabilno. Šum operacijskega ojačevalnika A ima torej veliko pasovno širino. Efektivna vrednost šumne napetosti v prvem prispevku v izhodni napetosti uo integracijskega vezja se torej zmanjša, s tem da se signal uo z izhoda integrimega vezja vodi skozi nizko sito Flp, katerega časovna konstanta je smiselno reda velikosti ene desetine časa ti trajanja integracijskega cikla. Za8 gasta električna napetost uo in filtrirana žagasta električna napetost uo' za nizkim sitom Flp sta prikazana v oknu 1 oziroma 2 na sl. 4, pri čemer je šumna napetost un simulirana s sinusnim signalom un z amplitudo 10 mV in frekvenco 100 kHz (okno 5 na sl. 2), ki ga generira generator G.

Na efektivno vrednost šumne napetosti v drugem prispevku vplivata tako Johnsonov šum operacijskega ojačevalnika A zaradi velike pasovne širine tega šuma kot tudi 1/f šum operacijskega ojačevalnika A, ker gre za nizkofrekvenčno področje. V trenutku, ko se razklene, resetimo stikalo Srl preslika visokofrekvenčne komponente izvornega šumnega signala v nizkofrekvenčni pas izhodne napetosti uo integrimega vezja. Zato je treba od filtrirane žagaste električne napetosti uo' odšteti komponente šuma, ki se kot prekrivno popačenje pojavijo v nizkofrekvenčnem delu spektra žagaste električne napetosti uo in ki izvirajo od visokofrekvečnih komponent napetosti omenjenega Johnsonovega šuma, in tudi nizkofrekvenčne komponente 1/f šuma operacijskega ojačevalnika A. Potem ko je prenehal resetimi signal r, na začetku vsakega integracijskega cikla krmilni signal c za izvajanje popravljanja filtrirane izhodne napetosti uo’ sklene krmiljeno stikalo Sc za čas od ene stotinke do ene desetinke dolžine ti integracijskega cikla (okno 4 na sl. 3), da se v začetku vsakega integracijskega cikla obnovi napetost uc popravka. V tem kratkem času se napetost v popravljalnem vezju Cc ustali in na kondenzatorju Cs se kot napetost uc popravka vzpostavi srednja šumna napetost v filtrirani žagasti električni napetosti uo'. Zaradi kratkega časa meritve ta vrednost sicer ni povsem točna.

Napetost uc popravka je prikazana v oknu 3 na sl. 3, na kateri sta prikazani še napetosti uo in uoc, in sicer za vezje (ni prikazano) brez prvega nizkega sita Flp.

Preko popravljalnega vezja Cc se sklene povratna zanka, ki dovede do tega, da postane napetost na izhodu napetostnega seštevalnika Av enaka nič. Na ta način se omogoči določitev napetosti uc popravka. Operacijski ojačevalnik A' mora zato imeti dovolj veliko ojačenje in nizko sito Flp' mora biti primemo izbrano. Na kondenzatorju Cs za pomnenje napetosti uc popravka se torej zadrži srednja šumna napetost, ki je še ostala v filtrirani žagasti električni napetosti uo'. Zadržana srednja šumna napetost je enaka potrebni popravljalni električni napetosti uc, ki se po razklenitvi stikala Sc v preostalem delu integracijskega cikla v napetostnem seštevalniku Av odšteva od filtrirane izhodne napetosti uo'.

Napetost uoc na izhodu napetostnega seštevalnika Av se vzorči s stikalom S, ki je krmiljeno z 1 ps trajajočim signalom s, ki se pojavi vsakič 1 ps pred koncem integracijskega cikla. Vzorčena izhodna napetost uo3 vezja po izumu je prikazana v primerjavi z vzorčeno izhodno napetostjo uol vezja po stanju tehnike (okno 3 na sl. 4). Pri konstantnem merjenem toku i vzorčena izhodna napetost uo3 vezja po izumu fluktuira le za 60 mV.

Prikazana pa je tudi primerjava vzorčene izhodne napetosti uol vezja po stanju tehnike z vzorčeno izhodno napetostjo uo2 vezja (ni prikazano), pri katerem je napetostni seštevalnik Av priključen neposredno na izhod integracijskega vezja (okno 5 na sl. 3); pri konstantnem merjenem toku i vzorčena izhodna napetost uo2 fluktuira za 220 mV.

Claims (4)

1. Postopek za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka z integriranjem le-tega v integracijskih ciklih s časovno dolžino ti in merjenjem naj večje vrednosti žagaste električne napetosti na izhodu integrimega vezja vsakič ob koncu integracijskega cikla, označen s tem, da se iz te žagaste električne napetosti odfiltrirajo komponente napetosti šuma, izvirajočega od operacijskega ojačevalnika v integrimem vezju, s frekvenco nad mejno frekvenco z vrednostjo reda velikosti (θ,Ι χ 2π χ /z) ', da se v kratkem časovnem intervalu reda velikosti med 0.01 x ti in 0,20 x ti na začetku vsakega integracijskega cikla izmeri srednja vrednost preostale šumne napetosti v filtrirani žagasti električni napetosti in da se od filtrirane žagaste električne napetosti odšteje izmerjena srednja vrednost preostale šumne napetosti.

2. Vezje za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka z integriranjem le-tega v integracijskih ciklih s časovno dolžino ti in merjenjem največje vrednosti žagaste električne napetosti na izhodu integrimega vezja vsakič ob koncu integracijskega cikla, označeno s tem, daje izhod integrimega vezja preko prvega nizkopasovnega sita (Flp) z zgornjo mejno frekvenco z vrednostjo reda velikosti (θ,1χ 2/r χ /z)' priključen na prištevalni vhod napetostnega seštevalnika (Av), da je na izhod napetostnega seštevalnika (Av) priključen vhod popravljalnega vezja (Cc), ki obstoji iz drug za drugim zaporedno vezanih ojačevalnika (A'), drugega nizkopasovnega sita (Flp'), stikala (Sc) za obnavljanje napetosti (uc) popravka in z eno sponko na maso priključenega kondenzatorja (Cs) za pomnenje napetosti (uc) popravka, da je časovna konstanta popravljalnega vezja (Cc) približno trikrat krajša od časa, v katerem je sklenjeno stikalo (Sc), da je izhod popravljalnega vezja (Cc) priključen na odštevalni vhod napetostnega seštevalnika (A v) in da je skupna sponka izhoda napetostnega seštevalnika (Av) in vhoda popravljalnega vezja (Cc) priključena na izhodno vzorčevalno stikalo (S).

3. Vezje za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka po zahtevku 2, označeno s tem, da se stikalo (Sc) za obnavljanje napetosti (uc) popravka sklene na začetku vsakega integracijskega cikla za čas v trajanju med 0.01 x ti in 0,20 x ti.

4. Vezje za merjenje zelo nizke jakosti električnega toka po zahtevku 2 ali 3, označeno s tem, da se ob koncu vsakega integracijskega cikla preko pripadajočega krmiljenega stikala izpraznita kondenzator v prvem nizkopasovnem situ (Flp) in kondenzator v drugem nizkopasovnem situ (Flp').