DE102007030172A1 - Electricity meter with high dynamics and small time constant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung stellt zwei verschiedene Strommessgeräte zur Verfügung, die im Kern jeweils auf einem als Strom-Spannungswandler beschalteten Operationsverstärker basieren. Ihre besonderen Vorteile gegenüber gattungsgemäßen Geräten erhalten die erfindungsgemäßen Geräte jeweils durch eine zielgerichtete Modifikation des Beschaltungswiderstands in der Rückkopplungsstrecke. Beim Gerät gemäß Hauptanspruch ("Gerät 1") ändert sich der Beschaltungswiderstand in Abhängigkeit des zu messenden Stroms. Gerät 1 ist damit ein linearer Verstärker mit automatischer, quasi instantaner Messbereichsumschaltung, optional auch mit multiplen Ausgangskanälen verschiedener Empfindlichkeit, die simultan aufgezeichnet werden können. Beim Gerät gemäß Nebenanspruch ("Gerät 2") umfasst der Beschaltungswiderstand mindestens zwei vorgespannte Dioden. Gerät 2 ist damit ein logarithmischer Verstärker mit durch die Vorspannung einstellbarer Empfindlichkeit. Die Vorzüge der Geräte 1 und 2 können auf Grund ihrer technischen Verwandtschaft in einem Gerät beliebig interkombiniert werden.The invention provides two different ammeters are available, which are based in the core each on a wired as a current-voltage converter operational amplifier. Their particular advantages over generic devices receive devices according to the invention in each case by a targeted modification of the circuit resistance in the feedback path. In the device according to the main claim ("device 1"), the Beschaltungswiderstand changes depending on the current to be measured. Device 1 is thus a linear amplifier with automatic, quasi-instantaneous measuring range switching, optionally also with multiple output channels of different sensitivity, which can be recorded simultaneously. In the device according to the independent claim ("device 2"), the circuit resistance comprises at least two biased diodes. Device 2 is thus a logarithmic amplifier with adjustable by the bias sensitivity. The advantages of the devices 1 and 2 can be intercombined arbitrarily due to their technical relationship in a device.
Description
Die Erfindung betrifft ein Strommessgerät mit hoher Dynamik und kleiner Zeitkonstante.The The invention relates to a current measuring device with high dynamics and small time constant.
Stand der TechnikState of the art
Experimente zum Ladungstransport in molekularen Metall|Molekül|Metall Brücken zeichnen sich durch Stromänderungen über mehrere Größenordnungen in kurzer Zeit aus. Messungen der entsprechenden Ströme (bzw. der molekularen Leitfähigkeit) erfordern eine hohe Dynamik und schnelle Responsezeiten. Für Messungen kleiner Ströme (< 1 Picoampere) wurden bislang lineare Strom-Spannungs-Verstärker eingesetzt, welche eine niedrige Dynamik (5 bis 6 Größenordnungen) aufweisen.experiments charge transport in molecular metal | molecule | metal Bridges are characterized by current changes several orders of magnitude in a short time. measurements the corresponding currents (or the molecular conductivity) require high dynamics and fast response times. For measurements small currents (<1 Picoampere) have so far been linear current-voltage amplifiers used, which has a low dynamics (5 to 6 orders of magnitude) exhibit.
Ein
großer dynamischer Bereich für Strom-Spannungs-Messungen
konnte mit einem logarithmischen Vorverstärker realisiert
werden (
Darüber
hinaus zeigen die Dioden einen hohen dynamischen Widerstand im Bereich
kleiner Ströme, der in Kombination mit Sperrschichtkapazitäten
zu hohen Zeitkonstanten führt. Durch Einbau eines zu den
Dioden parallel geschalteten Widerstandes kann die Zeitkonstante
der Schaltung minimiert werden (
Es sind auch Messgeräte bekannt, die automatisch zwischen unterschiedlichen Messbereichen umschalten (Autorange-Umschaltung) und so Messungen mit einer großen Dynamik von 7 bis 10 Größenordnungen ermöglichen. Allerdings dauert jede Umschaltung bis zu 15 ms. Da während dieser Umschaltzeit nicht gemessen werden kann, gehen hierdurch große Mengen an Information verloren.It are also known measuring devices that automatically between switch over different measuring ranges (Autorange switchover) and so measurements with a great momentum of 7 to 10 Allow orders of magnitude. Indeed Each switch takes up to 15 ms. Because during this Switching time can not be measured, thereby going large Lost amounts of information.
Aufgabe und LösungTask and solution
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Strommessgerät zur Verfügung zu stellen, das Ströme in einem großen dynamischen Bereich mit geringer Zeitkonstante zu messen vermag und dabei Umschaltzeiten, in denen es nicht messbereit ist, gegenüber dem Stand der Technik minimiert.It is therefore the object of the invention, an electricity meter to provide the streams in one large dynamic range with low time constant too Measure while switching times in which it is not ready to measure is minimized over the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Strommessgeräte gemäß Haupt- und Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich jeweils aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen.These The object is achieved by Ammeters according to main and secondary claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the respective referenced subclaims.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurden zwei Strommessgeräte entwickelt, die im Kern jeweils auf einem als Strom-Spannungswandler beschalteten Operationsverstärker basieren. Ihre besonderen Vorteile gegenüber gattungsgemäßen Geräten erhalten die erfindungsgemäßen Geräte jeweils durch eine zielgerichtete Modifikation des Beschaltungswiderstands in der Rückkopplungsstrecke, der den Stromfluss in eine Spannung umwandelt und den Operationsverstärker so zu einem Strom-Spannungswandler macht. Beim Gerät gemäß Hauptanspruch („Gerät 1") ändert sich der Beschaltungswiderstand in Abhängigkeit des zu messenden Stroms. Beim Gerät gemäß Nebenanspruch („Gerät 2") umfasst der Beschaltungswiderstand zwei Dioden. Diese Veränderungen des Beschaltungswiderstands stellen jeweils das besondere technische Merkmal dar, das den Beitrag des Geräts zum Stand der Technik kennzeichnet. Sie lösen jeweils die eingangs gestellte Aufgabe, Strommessungen in einem weiten Dynamikbereich mit gleichzeitig geringer Zeitkonstante und geringen nicht messbereiten Totzeiten zu ermöglichen. Im Speziellen Beschreibungsteil ist ein Ausführungsbeispiel für ein Gerät angegeben, das die in Gerät 1 und in Gerät 2 angewendeten Maßnahmen kombiniert, um die spezifischen Vorteile beider Geräte in einem Gerät zu vereinen.In the context of the invention, two ammeters have been developed which are based in each case on an operational amplifier connected as a current-voltage converter. Their particular advantages over generic devices receive the devices according to the invention in each case by a targeted modification of the snubber resistor in the feedback path, which converts the current flow into a voltage and makes the operational amplifier so a current-voltage converter. In the device according to the main claim ("device 1"), the circuit resistance changes depending on the current to be measured In the device according to the independent claim ("device 2"), the circuit resistance comprises two diodes. These changes in the circuit resistance each represent the particular technical feature that characterizes the contribution of the device to the prior art. In each case, they solve the problem set out above of enabling current measurements in a wide dynamic range with a simultaneously low time constant and low non-measurable dead times. In particular part of description is an embodiment of A device is specified that combines the measures used in Device 1 and Device 2 to combine the specific advantages of both devices in one device.
Gerät 1Device 1
Gerät 1 ist ein Strommessgerät, welches mindestens einen mit einem Beschaltungswiderstand als Strom-Spannungswandler beschalteten Operationsverstärker umfasst. Erfindungsgemäß ist der Widerstandswert des Beschaltungswiderstands bei mindestens einem ersten durchfließenden (zu messenden) Stromwert kleiner als bei mindestens einem zweiten durchfließenden Stromwert, wobei der zweite Stromwert kleiner ist als der erste.device 1 is a power meter, which at least one with connected a circuit resistor as a current-voltage converter Operational amplifier includes. According to the invention the resistance of the circuit resistance at least one first flowing (to be measured) current value smaller as at at least a second flowing current value, wherein the second current value is smaller than the first one.
Diese Maßnahme hat die Wirkung, dass sich in Abhängigkeit des zu messenden Stromwerts die Messempfindlichkeit in definierter Weise ändert. Die Ausgangsspannung Uout eines als (invertierender) Strom-Spannungswandler beschalteten Operationsverstärkers ist gegeben durch Uout = –Iin·R, worin Iin der zu messende Strom und R der Beschaltungswiderstand sind. Ist der Beschaltungswiderstand bei einem bestimmten Stromwert vermindert, steigt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers bei weiter zunehmendem Strom betragsmäßig weniger steil an.This measure has the effect that the measuring sensitivity changes in a defined manner depending on the current value to be measured. The output voltage U out of an operational amplifier connected as an (inverting) current-voltage converter is given by U out = -I in · R, where I in the current to be measured and R are the circuit resistance. If the circuit resistance is reduced at a certain current value, the output voltage of the operational amplifier increases in magnitude as the current continues to increase less steeply.
Dadurch wird der Messbereich des Operationsverstärkers und damit des Strommessgeräts erweitert. Die Ausgangsspannung Uout eines jeden Operationsverstärkers ist durch dessen Sättigungsspannung Usat begrenzt. Eine Verminderung des Beschaltungswiderstands in Abhängigkeit von Iin bewirkt, dass die Sättigungsspannung Usat erst bei einem höheren Wert von Iin erreicht wird. Somit kann das Messgerät einen höheren maximalen Strom erfassen, ohne dafür bei geringeren zu messenden Strömen an einer schlechteren Auflösung zu leiden.As a result, the measuring range of the operational amplifier and thus of the current measuring device is extended. The output voltage U out of each operational amplifier is limited by its saturation voltage U sat . A reduction in the circuit resistance as a function of I in causes the saturation voltage U sat is reached only at a higher value of I in . Thus, the meter can detect a higher maximum current without suffering from a lower resolution at lower currents to be measured.
Die konkrete Abhängigkeit des Beschaltungswiderstands vom durchfließenden Strom sowie sein Absolutwert sind vom Fachmann im Hinblick auf den konkret zu messenden Dynamikbereich an Strömen zu dimensionieren. Bevorzugt liegt zwischen den Werten des Beschaltungswiderstands bei den beiden durchfließenden Stromwerten jedoch ein Faktor zwischen 102 und 109. Bevorzugt variiert der Beschaltungswiderstand in einem Bereich zwischen 102 und 1011 Ω.The concrete dependence of the circuit resistance on the current flowing through as well as its absolute value must be dimensioned by the person skilled in the art with regard to the dynamic range of currents to be measured specifically. Preferably, however, a factor of between 10 2 and 10 9 lies between the values of the circuit resistance for the two current values flowing through. Preferably, the circuit resistance varies in a range between 10 2 and 10 11 Ω.
Der Beschaltungswiderstand kann kontinuierlich mit dem zu messenden Strom Iin abnehmen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist er jedoch so ausgestaltet, dass er abnimmt und hier insbesondere diskontinuierlich abnimmt, wenn der zu messende Strom Iin einen Schwellwert überschreitet. Dies bietet den Vorteil, dass oberhalb und unterhalb des Schwellwerts die Ausgangsspannung Uout des Operationsverstärkers nach wie vor linear in Iin ist, was die Interpretation des Messergebnisses stark vereinfacht. Bevorzugt führt das Überschreiten von Schwellströmen im Bereich zwischen 10–10 A und 10–4 A zu diskontinuierlichen Änderungen des Beschaltungswiderstands um Faktoren im Bereich zwischen 102 und 106.The circuit resistance can decrease continuously with the current I in to be measured. In a particularly advantageous embodiment of the invention, however, it is designed such that it decreases and, in particular discontinuously decreases here, when the current to be measured I in exceeds a threshold value. This offers the advantage that above and below the threshold value, the output voltage U out of the operational amplifier is still linear in I in , which greatly simplifies the interpretation of the measurement result. Preferably, the crossing of threshold currents in the range between 10 -10 A and 10 -4 A leads to discontinuous changes in the circuit resistance by factors in the range between 10 2 and 10 6 .
Eine diskontinuierliche Änderung des Beschaltungswiderstands wurde mit einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung realisiert, in der der Beschaltungswiderstand mindestens zwei in Reihe geschaltete Widerstände R und nR sowie mindestens einen zum Widerstand nR parallel geschalteten Limiter (Strombegrenzer) umfasst, der den Stromfluss freigibt, wenn die an ihm angelegte Spannung betragsmäßig einen Durchbruchswert überschreitet. Die Nomenklatur nR soll zum Ausdruck bringen, dass nR in der Regel sehr viel größer ist als R, bevorzugt um einen Faktor zwischen 102 und 109. Der Durchbruchswert liegt bevorzugt zwischen 0 und 12 V, besonders bevorzugt zwischen 0 und 5 V. Idealerweise ist der Durchbruchswert kleiner oder gleich dem maximalen, vom für die Datenauf nahme verwendeten Analog-Digital-Wandler erfassbaren Spannungswert bei maximaler Empfindlichkeit und damit Auflösung des Wandlers.A discontinuous change in the snubber resistor has been realized with a particularly advantageous embodiment of the invention, in which the snubber resistor at least two series-connected resistors R and nR and at least one resistance nR connected in parallel limiter (current limiter), which releases the current flow when the he applied voltage exceeds a breakthrough value in terms of amount. The nomenclature nR is intended to express that nR is usually much larger than R, preferably by a factor between 10 2 and 10 9 . The breakdown value is preferably between 0 and 12 V, more preferably between 0 and 5 V. Ideally, the breakdown value is less than or equal to the maximum voltage detectable by the analog-to-digital converter used for data acquisition at maximum sensitivity and thus resolution of the transducer.
Überschreitet der Strom Iin durch die Widerstände R und nR den Schwellwert, erreicht der durch ihn bewirkte Spannungsabfall über dem Widerstand nR den Durchbruchswert des Limiters. Der Limiter gibt den Stromfluss frei und überbrückt damit den Widerstand nR, so dass nur noch der Widerstand R als Beschaltungswiderstand wirksam ist. Ist nun nR sehr viel größer als R (bevorzugt um einen Faktor zwischen 102 und 109), nimmt die Empfindlichkeit des Operationsverstärkers schlagartig um mehrere Größenordnungen ab, sobald Iin den Schwellwert überschreitet. Das Strommessgerät führt bei diesem Schwellwert eine automatische Messbereichsumschaltung durch. Im Gegensatz zu herkömmlichen Messgeräten mit automatischer Messbereichsumschaltung, die für diese Umschaltung bis zu 15 ms benötigen, geschieht diese Umschaltung erfindungsgemäß innerhalb deutlich kürzerer Zeiten, z. B. < 0,1 ms für nR = 100 MΩ. Die Umschaltzeit ist vom Widerstand abhängig, da dieser mit unerwünschten Kapazitäten in der Schaltung einen RC-Kreis bildet, der eine Zeitkonstante aufweist.If the current I in through the resistors R and nR exceeds the threshold value, the voltage drop across the resistor nR caused by it reaches the breakthrough value of the limiter. The limiter releases the current flow and thus bridges the resistance nR, so that only the resistance R is effective as a circuit resistance. NR is now much greater than R (preferably by a factor between 10 2 and 10 9), the sensitivity of the operational amplifier decreases abruptly from several orders of magnitude when I exceeds the threshold value. The current meter performs an automatic measuring range changeover at this threshold value. In contrast to conventional measuring devices with automatic measuring range switching, which require up to 15 ms for this switching, this switching happens according to the invention within significantly shorter times, eg. <0.1 ms for nR = 100 MΩ. The switching time is dependent on the resistance, since it forms with unwanted capacitances in the circuit an RC circuit having a time constant.
Der Limiter kann beispielsweise mindestens eine Zener-Diode umfassen. Eine einzelne Zener-Diode reicht für eine monopolare Strommessung aus. Für eine bipolare Strommessung kann der Limiter zwei entgegengesetzt gepolte, in Reihe geschaltete Zener-Dioden umfassen.Of the Limiter may include, for example, at least one zener diode. A single Zener diode is sufficient for a monopolar current measurement out. For a bipolar current measurement, the limiter can be two comprise oppositely poled Zener diodes connected in series.
Zener-Dioden haben hohe und nicht lineare Leckströme. Darüber hinaus haben sie große Kapazitäten. Zudem sammeln sich – wie bei allen Halbleiterdioden – beim Übergang in den leitenden Zustand auf beiden Seiten des Halbleiterübergangs in der Diode jeweils Minoritätsladungsträger an. Wenn die an der Zener-Diode angelegte Spannung unter die Durchbruchsspannung zurückgeführt wird, bewirken diese Minoritätsladungsträger eine unerwünschte elektrische Leitung und verzögern so den Übergang in den sperrenden Zustand. Da die Ansammlung von Minoritätsladungsträgern nur durch Diffusion wieder abgebaut werden kann und Diffusion ein vergleichsweise langsamer Prozess ist, begrenzt diese Diffusionskapazität die maximale Geschwindigkeit, mit der eine Zener-Diode vom leitenden in den sperrenden Zustand überführt werden kann. Zener-Dioden sind, gegenüber Kleinsignalschaltdioden, nicht für schnelle Schaltprozesse optimiert.Zener diodes have high and non-linear leakage currents. About that In addition, they have large capacities. In addition, collect itself - as with all semiconductor diodes - during the transition in the conducting state on both sides of the semiconductor junction each minority carrier in the diode. When the voltage applied to the zener diode is below the breakdown voltage is attributed to these minority carriers an unwanted electrical conduction and delay so the transition to the blocking state. As the accumulation of minority carriers by diffusion only can be degraded again and diffusion a comparatively slower Process, this diffusion capacity limits the maximum Speed at which a Zener diode from conducting to blocking Condition can be transferred. Zener diodes are, compared to small signal switching diodes, not for fast Switching processes optimized.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Limiter daher mindestens eine Diode sowie eine zu der Diode in Reihe geschaltete und in Sperrrichtung gepolte Spannungsquelle. Für bipolare Messungen umfasst der Limiter vorteilhaft mindestens zwei antiparallel geschaltete Anordnungen aus einer Diode sowie einer zu der Diode in Reihe geschalteten und in Sperrrichtung gepolten Spannungsquelle. Die Spannungsquellen liefern bevorzugt Spannungen bis zu 12 V, besonders bevorzugt Spannungen bis zu 5 V.In a particularly advantageous embodiment of the invention the limiter therefore at least one diode and one to the diode series-connected and reverse-biased voltage source. For bipolar measurements, the limiter includes beneficial at least two antiparallel connected arrangements of a diode and one connected to the diode in series and in the reverse direction polarized voltage source. The voltage sources provide preferred Voltages up to 12 V, especially preferred voltages up to 5 V.
Aus der Sicht einer über dem Widerstand nR abfallenden Spannung sperrt dann eine der beiden Dioden, während die andere durchlässig ist. In dem Zweig mit der durchlässigen Diode addiert sich jedoch zu der abfallenden Spannung die ihr entgegen gesetzte Spannung aus der Spannungsquelle. Ist die abfallende Spannung betragsmäßig kleiner als die Spannung aus der Spannungsquelle, ändert sich bei dieser Addition das Vorzeichen, so dass das Resultat die falsche Polarität hat, um die über nR abfallende Spannung an sich durchlässige Diode zu passieren. Erst wenn die abfallende Spannung den gleichen Betrag hat wie die Gegenspannung aus der Spannungsquelle, also Iin einen Schwellwert erreicht, der zu einer solchen abfallenden Spannung führt, kann sie einen Stromfluss durch die Diode bewirken.From the point of view of a voltage dropping across the resistor nR, one of the two diodes then blocks, while the other one is permeable. However, in the branch with the transmissive diode, the voltage opposite it from the voltage source adds to the falling voltage. If the falling voltage is smaller in magnitude than the voltage from the voltage source, the sign changes with this addition, so that the result has the wrong polarity in order to pass the voltage dropping above nR to a permeable diode. Only when the voltage drop by the same amount as that of the counter voltage from the voltage source, that is achieved in a threshold value I, which leads to such a falling voltage, it can cause a current to flow through the diode.
Der Begriff der Diode umfasst alle Halbleiterbauelemente, die die Funktion einer Diode ausüben, also auch LEDs, bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren, die als Dioden eingebaut sind.Of the Term of the diode includes all semiconductor devices that have the function a diode exercise, including LEDs, bipolar transistors or field effect transistors incorporated as diodes.
Gegenüber einem Limiter mit Zener-Dioden hat diese Anordnung den Vorteil, dass für Durchbruchsspannungen im Bereich bis zu ±3,5 V Leckströme unterhalb von 0,1 pA und effektive Kapazitäten unterhalb von 0,1 pF realisierbar sind. Der Leckstrom ist der begrenzende Faktor für den kleinsten, mit dem Strommessgerät noch erfassbaren Strom. Die Kapazität ist der begrenzende Faktor für die Zeitkonstante und damit für die höchste Frequenz eines mit dem Strommessgerät noch erfassbaren Stroms.Across from a limiter with Zener diodes, this arrangement has the advantage that for breakdown voltages in the range up to ± 3.5 V leakage currents below 0.1 pA and effective capacities below 0.1 pF are feasible. The leakage current is the limiting Factor for the smallest, with the ammeter still detectable electricity. The capacity is the limiting Factor for the time constant and thus for the highest frequency one with the ammeter still detectable stream.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Strommessgerät einen weiteren Operationsverstärker, dessen Eingang auf einem vom zu messenden Strom Iin abhängigen Potential liegt. Dieser Operationsverstärker kann als einfacher Spannungsfolger mit Verstärkungsfaktor 1, aber auch als Spannungsverstärker mit einem anderen Verstärkungsfaktor beschaltet sein, der auf die nächste Stufe der Signalverarbeitung, wie beispielsweise den Messbereich eines Analog-Digital-Wandlers, abgestimmt ist. Durch den zusätzlichen Operationsverstarker kann der Strom Iin simultan ein zweites Mal gemessen werden, wobei auf Grund des sehr hohen Eingangswiderstands des Operationsverstärkers eine Rückwirkung auf das gemessene Potential und damit auf die erste Messung vernachlässigbar ist. Vorteilhaft liegt der Eingang des weiteren Operationsverstärkers auf dem Potential, das zwischen den Widerständen R und nR herrscht. In diesem Fall erfüllt der Widerstand R eine Doppelfunktion: Er wandelt den Strom Iin für beide durchgeführten Messungen gleichzeitig in eine Spannung um.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the current measuring device comprises a further operational amplifier, the input of which lies on a dependent of the current to be measured I in potential. This operational amplifier can be connected as a simple voltage follower with gain factor 1, but also as a voltage booster with a different gain factor, which is tuned to the next level of signal processing, such as the measuring range of an analog-to-digital converter. Because of the additional operational amplifier, the current I can be measured simultaneously in a second time, wherein due to the very high input resistance of the operational amplifier an effect on the measured potential and thus on the first measurement is negligible. Advantageously, the input of the further operational amplifier is at the potential which exists between the resistors R and nR. In this case, the resistor R has a double function: it converts the current I in for the two measurements carried out at the same time to a voltage.
Die Ausgangsspannung des weiteren Operationsverstärkers hängt in der Regel wesentlich weniger steil vom zu messenden Strom Iin ab als die Ausgangsspannung des ersten, als Strom-Spannungs-Verstärker beschalteten Operationsverstärkers. Dies gilt im Besonderen, wenn der Eingang des weiteren Operationsverstärkers auf dem Potential zwischen den Widerstanden R und nR liegt. Somit führt der weitere Operationsverstärker eine unabhängige Messung von Iin mit einer wesentlich verminderten Empfindlichkeit durch.The output voltage of the further operational amplifier depends much less steep, as a rule by the current to be measured I in from than the output voltage of the first, connected as a current-voltage amplifier operational amplifier. This applies in particular if the input of the further operational amplifier is at the potential between the resistors R and nR. Thus, the further operational amplifier performs independent measurement of I in with significantly reduced sensitivity.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Ausgangsspannungen der Operationsverstärker mit Hilfe von Analog/Digital-Wandlern erfasst werden. Diese Wandler erfassen, abhängig von der gewählten Messauflösung, nur Spannungen innerhalb eines bestimmten Messbereichs. Spannungen außerhalb dieses Messbereichs können nicht mehr unterschieden werden. Erreicht die Ausgangsspannung Uout1 des ersten Operationsverstärkers die Grenze des Messbereichs, müsste gemäß Stand der Technik der Messbereich auf die nächstgrößere Stufe umgeschaltet werden, was unweigerlich mit einer geringeren Messauflösung verbunden wäre.This is particularly advantageous when the output voltages of the operational amplifier are detected by means of analog / digital converters. Depending on the selected measuring resolution, these transducers only detect voltages within a certain measuring range. Tensions outside of this Measuring range can no longer be distinguished. If the output voltage U out1 of the first operational amplifier reaches the limit of the measuring range, according to the prior art, the measuring range would have to be switched to the next higher level, which would inevitably be associated with a lower measuring resolution.
Erfindungsgemäß kann dagegen auf einem zweiten Kanal die Ausgangsspannung Uout2 des zweiten Operationsverstärkers gemessen werden; da diese wesentlich weniger empfindlich auf den Strom Iin reagiert, befindet sie sich noch innerhalb des Messbereichs. Durch die Kombination der gemessenen Werte für Uout1 und Uout2 in einer Zweikanalmessung kann ein viel größerer dynamischer Bereich an Strömen mit der höchstmöglichen Auflösung des Analog/Digital-Wandlers gemessen werden als dies nach dem Stand der Technik möglich war. Dabei können sich die durch Betrachtung von Uout1 und Uout2 sinnvoll erfassbaren Bereiche für Iin durchaus überlappen, was wiederum für Kalibrierungsmessungen von großem Vorteil ist. By contrast, according to the invention, the output voltage U out2 of the second operational amplifier can be measured on a second channel; as it is much less sensitive to the current I in , it is still within the measuring range. By combining the measured values for U out1 and U out2 in a two-channel measurement , a much larger dynamic range of currents at the highest possible resolution of the analog-to-digital converter can be measured than was possible in the prior art. In this case, the ranges that can be meaningfully detected by consideration of U out1 and U out2 can certainly overlap for I in , which in turn is of great advantage for calibration measurements .
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Limiter über mindestens einen Ableitwiderstand mit dem Ausgang des weiteren Operationsverstärkers und über mindestens zwei parallel geschaltete Dioden mit dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers verbunden. Der Wert dieses Widerstands sollte so gewählt werden, dass der Spannungsabfall über ihn durch die Leckströme des Limiters vernachlässigbar ist. Auch sollte die Zeitkonstante des RC-Kreises aus dem Widerstand und den parasitären Kapazitäten des Limiters viel kleiner sein als die Gesamtzeitkonstante des erfindungsgemäßen Strommessgeräts, bevorzugt um einen Faktor 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 10 kleiner. Sinnvolle Werte für den Ableitwiderstand liegen beispielsweise zwischen 3 kΩ und 100 kΩ. Er darf nicht zu niedrig sein, denn wenn der Limiter den Stromfluss freigibt, ist ein gewisser Spannungsabfall über dem Ableitwiderstand erforderlich, damit zumindest eine der parallel geschalteten Dioden zwischen dem Limiter und dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers öffnet und Strom durch den Limiter leitet. Bei einem zu geringen Wert des Ableitwiderstands würde der zur Verfügung stehende, durch den Limiter fließende Strom keinen ausreichenden Spannungsabfall über dem Ableitwiderstand erzeugen. Die Dioden zwischen dem Limiter und dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers blieben geschlossen, und der Limiter wäre funktionsunfähig.In a further advantageous embodiment of the invention is the Limiter via at least one bleeder with the Output of the other operational amplifier and over at least two parallel connected diodes with the input of the connected to another operational amplifier. The value of this Resistance should be chosen so that the voltage drop across negligible due to the leakage currents of the limiter is. Also, the time constant of the RC circuit should be out of the resistor and the parasitic capacities of the limiter a lot be smaller than the total time constant of the invention Ammeter, preferably by a factor of 5 and especially preferably smaller by a factor of 10. Meaningful values for the Ableitwiderstand are, for example, between 3 kΩ and 100 kΩ. He must not be too low, because if the limiter releases the current flow is a certain voltage drop across the bleeder resistor required so that at least one of the parallel switched diodes between the limiter and the input of the further operational amplifier opens and conduct electricity through the limiter. If the value of the Bleeder resistance would be the available, current flowing through the limiter is insufficient Generate voltage drop across the bleeder resistor. The Diodes between the limiter and the input of the further operational amplifier remained closed, and the limiter would be disabled.
Durch den Ableitwiderstand und die Dioden werden der Eingang und der Ausgang des weiteren Operationsverstärkers sowie ein Pol des Limiters auf nahezu gleichem Potential gehalten. Die parallel geschalteten Dioden sperren bei sehr kleinen Potentialdifferenzen zwischen dem Pol des Limiters und dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers; baut sich eine zu große Potentialdifferenz auf, öffnet eine der Dioden. Leckströme des Limiters fließen über den Ableitwiderstand zum Ausgang des weiteren Operationsverstärkers ab. Im Ergebnis unterbindet der Ableitwiderstand eine Rückkopplung von Leckströmen des Limiters durch den Widerstand nR, und die Dioden vermindern die Rückwirkung von parasitären Kapazitäten des Limiters auf das Potential zwischen den Widerständen R und nR oder neutralisieren diese Rückwirkung sogar ganz. Dioden und Ableitwiderstand müssen in Kombination eingesetzt werden: Werden Dioden ohne Ableitwiderstand eingesetzt, fließen ständig Leckströme des Limiters darüber. Wird ein Ableitwiderstand eingesetzt, aber auf die parallel geschalteten Dioden zwischen dem Limiter und dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers verzichtet, ist der weitere Operationsverstärker positiv rückgekoppelt und läuft nicht mehr stabil.By the leakage resistance and the diodes become the input and the output the further operational amplifier and a pole of the limiter held at almost the same potential. The parallel connected diodes Lock at very small potential differences between the pole of Limiter and the input of the further operational amplifier; If too much potential difference builds up, opens one of the diodes. Leakage currents of the limiter flow over the bleeder to the output of the further operational amplifier from. As a result, the bleeder resistor suppresses feedback of leakage currents of the limiter by the resistance nR, and the diodes reduce the repercussion of parasitic Capacities of the limiter on the potential between the Resistors R and nR or neutralize this reaction even completely. Diodes and bleeder resistor must be combined can be used: If diodes are used without bleeder resistor, Constant leakage currents flow through the limiter about that. If a bleeder resistor is used, but open the parallel connected diodes between the limiter and the input waived further operational amplifier, is the further operational amplifier positively fed back and is not stable anymore.
Da das erfindungsgemäße Gerät nur wenige Bauteile aufweist und daher wenig Platz benötigt, kann es beispielsweise in eine Piezopositionierungseinrichtung für ein Rastertunnelmikroskop integriert werden. Da der Tunnelstrom exponentiell unter anderem vom Abstand zwischen Spitze und Probe abhängt, ändert er sich innerhalb kürzester Zeit um mehrere Größenordnungen, so dass das erfindungsgemäße Strommessgerät sich für diese Anwendung besonders eignet.There the device according to the invention only a few Has components and therefore requires little space, it can For example, in a piezo-positioning device for a scanning tunneling microscope can be integrated. Because the tunnel current exponential including the distance between the tip and the sample depends, it changes within the shortest possible time Time by several orders of magnitude, so that the inventive Ammeter especially for this application suitable.
Gerät 2Device 2
Das erfindungsgemäße Strommessgerät umfasst, wie Gerät 1, mindestens einen mit einem Beschaltungswiderstand als Strom-Spannungs-Wandler beschalteten Operationsverstärker. Erfindungsgemäß umfasst der Beschaltungswiderstand dieses Operationsverstärkers eine Diodenanordnung aus mindestens zwei gleich gerichtet in Serie geschalteten Dioden und einer über beide Dioden angelegte Spannungsquelle, wobei je eine der Dioden zwischen dem Einspeisepunkt für den zu messenden Strom in die Diodenanordnung und einem Pol der Spannungsquelle geschaltet ist.The comprises ammeters according to the invention like device 1, at least one with a circuit resistance as a current-voltage converter wired operational amplifier. According to the invention, the circuit resistance comprises this op amp, a diode array of at least two rectified series-connected diodes and one over both diodes applied voltage source, each one of the diodes between the feed point for the current to be measured connected in the diode arrangement and a pole of the voltage source is.
Der Begriff der Diode umfasst alle Halbleiterbauelemente, die die Funktion einer Diode ausüben, also auch LEDs, bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren, die als Dioden eingebaut sind.Of the Term of the diode includes all semiconductor devices that have the function a diode exercise, including LEDs, bipolar transistors or field effect transistors incorporated as diodes.
Da der Beschaltungswiderstand Dioden umfasst, wird der Operationsverstärker zu einem logarithmischen Strom-Spannungswandler. Durch Vorspannung der Dioden mit der erfindungsgemäß vorgesehenen, über beide Dioden angelegten Spannungsquelle lässt sich die Empfindlichkeit dieses Wandlers vorteilhaft einstellen. Es wurde vorteilhaft erkannt, dass hierdurch ein Strommessgerät entsteht, dessen Empfindlichkeit typischerweise in einem Zeitintervall < 0,1 ms geändert werden kann. Dadurch geht bei schnellen Messungen mit gleichzeitig hoher Dynamik des zu messenden Stroms Im keine Information verloren.Since the snubber resistor comprises diodes, the operational amplifier becomes logarithmic current-voltage transformer. By biasing the diodes with the inventively provided, applied via both diodes voltage source, the sensitivity of this converter can be adjusted advantageously. It has been advantageously recognized that this creates a current measuring device whose sensitivity can typically be changed in a time interval <0.1 ms. As a result, no information is lost in fast measurements with simultaneously high dynamics of the current Im to be measured.
Da erfindungsgemäß je eine der Dioden zwischen dem Einspeisepunkt für den zu messenden Strom in die Diodenanordnung und einem Pol der Spannungsquelle geschaltet ist, sind beide Pole der Spannungsquelle vom Eingang des Operationsverstärkers isoliert. Zugleich wurde erkannt, dass mit nur einer Spannungsquelle beide Dioden vorgespannt werden und somit in ihrem Widerstand beeinflusst werden können. In der erfindungsgemäßen Anordnung ist ein Pol der Spannungsquelle mit der Anode der einen Diode und der andere Pol der Spannungsquelle mit der Kathode der anderen Diode verbunden.There According to the invention, one of the diodes between each Feed point for the current to be measured in the diode array and one pole of the voltage source are connected, both poles the voltage source from the input of the operational amplifier isolated. At the same time it was realized that with only one voltage source Both diodes are biased and thus influenced in their resistance can be. In the invention Arrangement is a pole of the voltage source with the anode of the one Diode and the other pole of the voltage source with the cathode of connected to another diode.
Die Spannungsquelle kann aus einer Reihenschaltung zweier oder mehrerer Einzelspannungsquellen bestehen. Dann kann das Ausgangssignal des Strommessgeräts zwischen den Einzelspannungsquellen abgegriffen werden. Das Ausgangssignal kann dann über die Verteilung der Gesamtvorspannung auf die Einzelspannungsquellen mit einem konstanten Offset versehen werden. Zwecks Vereinfachung der Schreibweise wird der Begriff „Spannungsquelle" im Folgenden in Einzahl gebraucht; er erfasst bei mehreren vorhandenen Einzelspannungsquellen jeweils eine oder mehrere dieser Spannungsquellen.The Voltage source may consist of a series connection of two or more Single voltage sources exist. Then the output signal of the Ammeter tapped between the individual voltage sources become. The output signal can then be distributed the total bias on the single voltage sources with a constant Offset be provided. In order to simplify the spelling the term "voltage source" is used hereinafter in singular; it detects at several existing single voltage sources respectively one or more of these voltage sources.
Die Spannungsquelle kann eine feste oder variable Spannung liefern. Beispielsweise kann ein Digital/Analog-Wandler als Spannungsquelle verwendet werden, so dass der Anwender beispielsweise im Bereich sehr kleiner Ströme jederzeit den optimalen Kompromiss zwischen Stromauflösung und Zeitkonstante wählen kann. Die Sperrschichtkapazität C der Dioden ist zwar konstant, jedoch hängt der differentielle Widerstand Rd = dU/dI von der Vorspannung ab, und die Zeitkonstante ist gegeben durch C·Rd = C·dU/dI.The voltage source can deliver a fixed or variable voltage. For example, a digital / analog converter can be used as the voltage source, so that the user can select the optimal compromise between current resolution and time constant, for example, in the range of very small currents at any time. Although the junction capacitance C of the diodes is constant, the differential resistance R d = dU / dI depends on the bias, and the time constant is given by C ·R d = C ·dU / dI.
Die Spannungsquelle kann aber auch eine Wechselspannung oder eine Gleichspannung mit einer darauf modulierten Wechselspannung liefern. So kann beispielsweise bei der Beobachtung eines periodisch ablaufenden Phänomens die Empfindlichkeit des Strommessgeräts dem Zeitprogramm des Phänomens folgen.The Voltage source can also be an AC voltage or a DC voltage deliver with an AC voltage modulated thereon. So, for example in the observation of a periodic phenomenon the sensitivity of the ammeter to the time program to follow the phenomenon.
Vorteilhaft sind parallel zur Spannungsquelle und zu den Dioden mindestens zwei Widerstände in Reihe geschaltet. Wird das Ausgangssignal des Strommessgeräts zwischen den Widerständen abgegriffen, so können diese Widerstände verwendet werden, um das Signal um einen Offset zu verschieben. Damit über diesen Widerständen keine allzu hohe Spannung abfällt, sollten diese niederohmiger sein als die Eingangsimpedanz der nächsten signalverarbeitenden Stufe (etwa Analog/Digital-Wandler), in die das Ausgangssignal des Strommessgeräts eingekoppelt wird. 3–100 kΩ pro Widerstand sind Beispiele für sinnvolle Werte. Der Offset hängt nicht von Iin ab, da der zu messende Strom nicht über diese Widerstände fließt. Der geschlossene Stromkreis aus der Spannungsquelle und den Widerständen hat keinen Einfluss auf das Messsignal, da die Spannungsquelle aktiv auf konstante Spannung zwischen ihren Polen geregelt ist.Advantageously, at least two resistors are connected in series parallel to the voltage source and to the diodes. If the output of the ammeter between the resistors is tapped, these resistors can be used to shift the signal by an offset. So that over these resistors not too high voltage drops, they should be lower impedance than the input impedance of the next signal processing stage (such as analog / digital converter), in which the output signal of the ammeter is coupled. 3-100 kΩ per resistor are examples of meaningful values. The offset does not depend on I in because the current to be measured does not flow across these resistors. The closed circuit of the voltage source and the resistors has no influence on the measurement signal, since the voltage source is actively regulated to a constant voltage between its poles.
Aus theoretischer Sicht besteht prinzipiell die Möglichkeit, den Wert dieser Widerstände so zu wählen, dass sich eine optimale Kompromisslösung zwischen Empfindlichkeit und Zeitauflösung für eine spezifische Experimentieraufgabe ergibt. Diese Lösung könnte durch den Einsatz von mechanischen oder Festerkörper-Relais realisiert werden. Allerdings führen diese Komponenten zu großen Leckströmen und Streukapazitäten, wodurch sich die Performance der Schaltung deutlich verschlechtert.Out theoretically there is the possibility to choose the value of these resistors so that an optimal compromise solution between sensitivity and time resolution for a specific experimentation task results. This solution could be through the use be realized by mechanical or solid state relays. However, these components lead to big ones Leakage currents and stray capacitances, resulting in the performance of the circuit significantly worsened.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere Rückkopplungsstrecke aus der ersten Rückkopplungsstrecke, die den Beschaltungswiderstand mit der Diodenanordnung umfasst, zum Eingang des Operationsverstärkers vorgesehen, wobei diese Rückkopplungsstrecke insbesondere einen invertierenden Verstärker sowie einen Kondensator enthalten kann. Dadurch kann die Zeitkonstante des Strommessgeräts im Bereich kleiner Ströme reduziert werden. Der Kondensator kompensiert die Sperrschichtkapazität der Dioden sowie die weiteren parasitären Kapazitäten der Schaltung. Der invertierende Verstärker ist notwendig, da die Rückkopplung sonst in die falsche Richtung wirken würde.In a particularly advantageous embodiment of the invention is a further feedback path from the first feedback path, which includes the snubber resistor with the diode array, for Input of the operational amplifier provided, this Feedback path in particular an inverting Amplifier and a capacitor can contain. Thereby can the time constant of the ammeter in the range smaller Currents are reduced. The capacitor compensates for the Junction capacitance of the diodes and the other parasitic Capacities of the circuit. The inverting amplifier is necessary, because the feedback otherwise in the wrong direction would work.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Widerstand zwischen dem Eingang des Operationsverstärkers und dem Einspeisepunkt für den zu messenden Strom in die Diodenanordnung vorgesehen. Der zu messende Strom Iin bewirkt in diesem Widerstand einen Spannungsabfall, über den der Strom Iin unabhängig von der Diodenanordnung ein zweites Mal gemessen werden kann. Dies ist insbesondere für die Kalibrierung des erfindungsgemäßen logarithmischen Strom-Spannungs-Wandlers wichtig, da gerade die für diesen Zweck besonders geeigneten schnellen Dioden mit niedriger Kapazität und kleinen Leckströmen keine exakt exponentielle Strom-Spannungs-Kennlinie aufweisen. Zudem sind die Kennlinien von Dioden stark temperaturabhängig.In a particularly advantageous embodiment of the invention, at least one resistor is provided between the input of the operational amplifier and the feed point for the current to be measured in the diode array. The current to be measured I in effect in this resistor a voltage drop across the current a second time may be measured in independent of the diode array I. This is particularly important for the calibration of the logarithmic current-voltage converter according to the invention, since just for this purpose particularly suitable fast diodes with low capacitance and small leakage currents have no exactly exponential current-voltage characteristic. In addition, the characteristics of diodes are highly temperature-dependent.
Die Ausgangsspannung Uout des Operationsverstärkers, mit der der Strom logarithmisch gemessen wird, kann für eine unabhängige zweite Messung des Stroms über den zusätzlichen Widerstand herangezogen werden. Der Strom Iin führt sowohl in der Diodenanordnung als auch im Widerstand jeweils zu einem Spannungsabfall, und beide Spannungsabfälle addieren sich zu Uout. Dabei liefert die Diodenanordnung einen in Iin logarithmischen Beitrag und der Widerstand einen in linearen Beitrag.The output voltage U out of the operational amplifier, with which the current is measured logarithmically, can be used for an independent second measurement of the current via the additional resistor. The current I in leads to a voltage drop both in the diode arrangement and in the resistor, and both voltage drops add up to U out . The diode array provides an I In logarithmic contribution and the resistance in a linear contribution.
Vorteilhaft ist ein als Spannungsfolger oder Spannungsverstärker beschalteter Operationsverstärker, dessen Eingang auf dem Potential des Einspeisepunkts für den zu messenden Strom in der Diodenanordnung liegt, für die unabhängige zweite Messung des Stroms vorgesehen. Da er ein lineares Bauelement ist, unterliegt seine Kennlinie einem viel schwächeren Temperatureinfluss als die einer Diode. Zudem kann es generell vorteilhaft sein, die Dynamik des zu messenden Stroms Iin simultan sowohl auf einer linearen als auch auf einer logarithmischen Skala zu messen.An operational amplifier connected as a voltage follower or voltage amplifier, whose input is at the potential of the feed-in point for the current to be measured in the diode arrangement, is advantageously provided for the independent second measurement of the current. Since it is a linear component, its characteristic is subject to a much weaker temperature influence than that of a diode. In addition, it may be generally advantageous to measure the dynamics of the current I to be measured in both a linear and a logarithmic scale simultaneously.
Aus dem Signal des ersten (mit der Diodenanordnung beschalteten) Operationsverstärkers kann der lineare Signalanteil, der durch den vorgeschalteten Widerstand bewirkt wird, nachträglich herausgerechnet werden. Alternativ kann der bekannte Wert dieses Widerstands direkt in das mathematische Modell für die Diodenanordnung mit einbezogen werden.Out the signal of the first (with the diode array connected) operational amplifier can be the linear signal component caused by the upstream resistor is subsequently eliminated. alternative the known value of this resistance can be directly into the mathematical Model for the diode array to be included.
Die Empfindlichkeit der zweiten Messung kann über den Widerstandswert eingestellt werden. Sie kann sich sehr stark von der Empfindlichkeit der Diodenanordnung unterscheiden. Analog zu Gerät 1 können also Zweikanalmessungen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten durchgeführt werden. Durch die simultane Erfassung der linearen und der logarithmischen Strommessung kann insgesamt mit der höchstmöglichen Auflösung des für die Datenerfassung verwendeten Analog/Digital-Wandlers ein viel größerer dynamischer Bereich an Strömen Iin abgedeckt werden als dies nach dem Stand der Technik möglich war.The sensitivity of the second measurement can be adjusted via the resistance value. It can be very different from the sensitivity of the diode array. Analogous to device 1, therefore, two-channel measurements with different sensitivities can be carried out. By the simultaneous detection of the linear and the logarithmic current measurement, overall, with the highest possible resolution of the analog / digital converter used for the data acquisition, a much larger dynamic range of currents I in can be covered than was possible according to the prior art.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung aus dem Widerstand und der Diodenanordnung bei mindestens einem ersten durchfließenden (zu messenden) Stromwert kleiner als bei mindestens einem zweiten durchfließenden Stromwert, wobei der zweite Stromwert kleiner ist als der erste. Analog zu Gerät 1 ändert sich dann vorteilhaft die Empfindlichkeit des Strommessgeräts in Abhängigkeit des durchfließenden Stroms, was Messungen mit höherer Dynamik ermöglicht.In a particularly advantageous embodiment of the invention is the Total resistance of the series circuit of the resistor and the Diode arrangement at least a first flowing through (to be measured) current value smaller than at least a second flowing current value, wherein the second current value is smaller is the first Analog to device 1 changes then advantageously the sensitivity of the ammeter depending on the current flowing through, which Measurements with higher dynamics possible.
Beispielsweise können hierzu zwischen dem Widerstand und dem Einspeisepunkt für den zu messenden Strom in die Diodenanordnung ein weiterer Widerstand sowie parallel zu diesem weiteren Widerstand und zur Diodenanordnung ein Limiter, der den Stromfluss freigibt, wenn die an ihm angelegte Spannung einen Durchbruchswert überschreitet, geschaltet sein. Dabei ist dieser weitere Wider stand wie auch in Gerät 1 im Allgemeinen viel größer als der erste. Sobald der Strom Iin einen Schwellwert und damit die Spannung über dem Limiter den Durchbruchswert überschreitet, werden der weitere Widerstand und die Diodenanordnung durch den Limiter überbrückt.For example, for this purpose between the resistor and the feed point for the current to be measured in the diode arrangement, a further resistor and parallel to this further resistor and the diode arrangement, a limiter, which releases the current flow when the voltage applied to it exceeds a breakdown value, be connected. In this case, this further cons was generally much larger than the first, as in device 1. As soon as the current I in a threshold value and thus the voltage across the limiter exceeds the breakdown value, the further resistor and the diode array are bridged by the limiter.
Auf eine weitere Erhöhung des Stroms Iin reagiert der Operationsverstärker dann als linearer Strom-Spannungswandler mit einer Empfindlichkeit, die durch den ersten Widerstand bestimmt ist. Das Strommessgerät ist somit zugleich ein Gerät 1 für lineare Strommessungen. Wie oben beschrieben, kann die lineare Messung des Stroms Iin dann mit besonders geringer Zeitkonstante und mit besonders hoher Auflösung über einen sehr großen Dynamikbereich erfolgen. Liegt der Strom Iin unterhalb des Schwellwerts, misst das Strommessgerät ihn automatisch logarithmisch. Liegt er oberhalb des Schwellwerts, misst es ihn linear.Upon further increase of the current I in , the operational amplifier then responds as a linear current to voltage converter with a sensitivity determined by the first resistor. The ammeter is thus also a device 1 for linear current measurements. As described above, the linear measurement of the current I can be carried out in then with particularly low time constant, and with particularly high resolution over a very wide dynamic range. If the current I is below the threshold, the power meter measures it automatically logarithmic. If it is above the threshold, it measures it linearly.
Dass die Diodenanordnung überbrückt wird, hat die zusätzliche Wirkung, dass der Strom durch die Dioden und damit auch die Erwärmung der Dioden begrenzt wird. Eine auch verhältnismäßig kleine Erwärmung (> 1 K) der Dioden gefährdet deren Kalibrierung, da die Kennlinien der Dioden stark temperaturabhängig sind.That the diode array is bridged has the additional Effect that the current through the diodes and, consequently, the warming the diodes is limited. One too small heating (> 1 K) of the diodes endangers their calibration, since the characteristics the diodes are highly temperature dependent.
Wenn der weitere Widerstand entweder nicht vorhanden oder nicht parallel mit dem Limiter geschaltet ist, bewirkt allein schon die Parallelschaltung des Limiters zur Diodenanordnung, dass das Strommessgerät unterhalb des Schwellstroms sowohl logarithmisch als auch linear und oberhalb des Schwellstroms nur noch linear reagiert. Zugleich wird dann auch die Erwärmung der Dioden begrenzt.If the further resistance either absent or not parallel connected with the limiter alone causes the parallel connection the limiter to the diode array that the ammeter below of the threshold current both logarithmic and linear and above of the threshold current only reacts linearly. At the same time, then too limits the heating of the diodes.
Für die Umschaltung der Messempfindlichkeit allein würde es jedoch analog zu Gerät 1 ausreichen, nur den weiteren Widerstand mit dem Limiter zu überbrücken.For Switching the sensitivity alone would however, analogous to device 1 suffice, only the further resistance to bridge with the limiter.
Vorteilhaft sind Mittel zur Beaufschlagung des Widerstands mit einem Kalibrierstrom vorgesehen. Dann kann vor oder auch während der eigentlichen Messung die Diodenanordnung kalibriert werden. Der Kalibrierstrom kann beispielsweise periodisch und somit auf das eigentliche Messsignal aufmoduliert sein. Durch Demodulation der Messergebnisse für die lineare und die logarithmische Messung kann dann die eigentliche Messung für alle Messzeiten kalibriert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Messung länger dauert und das Strommessgerät währenddessen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.Advantageous are means for applying resistance to a calibration current intended. Then, before or even during the actual Measuring the diode array to be calibrated. The calibration current can, for example, periodically and thus to the actual measurement signal be modulated. By demodulation of the measurement results for the linear and the logarithmic measurement can then be the actual measurement be calibrated for all measuring times. This is special advantageous if the measurement takes longer and the ammeter during which temperature fluctuations are exposed.
Da Gerät 2 gerade die in Rastertunnelmikroskopen fließenden sehr kleinen Tunnelströme zwischen Spitze und Probe mit hoher Dynamik messen kann, ist es zur Verwendung in einem derartigen Mikroskop besonders geeignet.There Device 2 just flowing in scanning tunneling microscopes very small tunnel currents between tip and sample with high dynamic range, it is for use in such a Microscope particularly suitable.
Spezieller BeschreibungsteilSpecial description part
Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird. Es ist gezeigt:following the subject matter of the invention will become more apparent with reference to figures explained without the subject of the invention thereby is limited. It is shown:
Zusätzlich ist ein weiterer, als Spannungsfolger beschalteter Operationsverstärker OA2 vorgesehen, dessen (positiver) Eingang auf dem zwischen den Widerständen R und nR herrschenden Potential liegt. Da R wesentlich kleiner ist als nR, reagiert die Ausgangsspannung Uout2 des OA2 wesentlich weniger steil auf Änderungen des zu messenden Stroms Iin als die Ausgangsspannung Uout1 des OA1.In addition, another, connected as a voltage follower operational amplifier OA 2 is provided, the (positive) input is on the prevailing between the resistors R and nR potential. Since R is much smaller than nR, the output voltage U substantially less steep reacts out2 of OA 2 to changes in the current to be measured I in as the output voltage U out1 of OA. 1
Dieser
Zusammenhang ist in
In
Die Größe des Ableitwiderstands R3 ist kritisch für die Zeitkonstante der Limiter-Schaltung. Der Wert dieses Widerstands sollte so gewählt werden, dass der Spannungsabfall über ihn durch die Leckströme der Dioden D1 und D2 des Limiters vernachlässigbar ist. Auch sollte die Zeitkonstante des RC-Kreises aus dem Widerstand R3 und den Sperrschichtkapazitäten der Dioden D1 und D2 des Limiters viel kleiner sein als die Gesamtzeitkonstante des erfindungsgemäßen Strommessgeräts, bevorzugt um einen Faktor 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 10 kleiner. Beispiele für sinnvolle Werte des Ableitwiderstands R3 liegen zwischen 3 kΩ und 100 kΩ. Er darf nicht zu niedrig sein, denn wenn der Limiter den Stromfluss freigibt, ist ein gewisser Spannungsabfall über dem Ableitwiderstand erforderlich, damit zumindest eine der parallel geschalteten Dioden D3 und/oder D4 zwischen dem Limiter und dem Eingang des weiteren Operationsverstärkers OA2 öffnet und Strom durch den Limiter leitet. Bei einem zu geringen Wert des Ableitwiderstands würde der zur Verfügung stehende, durch die Dioden D1 und D2 fließende Strom keinen ausreichenden Spannungsabfall über dem Ableitwiderstand erzeugen. Die Dioden D3 und D4 blieben geschlossen, und der Limiter wäre funktionsunfähig.The size of the bleeder resistor R 3 is critical for the time constant of the limiter circuit. The value of this resistor should be chosen so that the voltage drop across it is negligible due to the leakage currents of diodes D 1 and D 2 of the limiter. Also, the time constant of the RC circuit of the resistor R 3 and the junction capacitances of the diodes D 1 and D 2 of the limiter should be much smaller than the total time constant of the current measuring device according to the invention, preferably by a factor of 5 and more preferably by a factor of 10 smaller. Examples of meaningful values of the leakage resistance R 3 are between 3 kΩ and 100 kΩ. It must not be too low, because if the limiter releases the current flow, a certain voltage drop across the bleeder resistor is required so that at least one of the parallel connected diodes D 3 and / or D 4 opens between the limiter and the input of the further operational amplifier OA 2 and conduct electricity through the limiter. If the value of the bleeder resistor is too low, it would become available standing, flowing through the diodes D 1 and D 2 current does not generate a sufficient voltage drop across the bleeder. The diodes D 3 and D 4 remained closed and the limiter would be inoperable.
Tabelle
1 repräsentiert eine Zusammenstellung typischer Parameter
für das in
Beispiel 1.3 zeigt, dass im Falle von R2 = 10 GΩ auch der Wert des Widerstandes von R1 erhöht werden muss (im Beispiel auf 1 MΩ), um eine im Hinblick auf die geforderte Messgenauigkeit genügend große Überlappung der zu Uout1 und Uout2 zugehörigen Strombereiche erreichen zu können. In Konsequenz reduzieren sich sowohl der Strombereich für Uout2 als auch der dynamische Bereich der Gesamtmessung.Example 1.3 shows that in the case of R 2 = 10 GΩ, the value of the resistance of R 1 must be increased (in the example to 1 MΩ) to a sufficiently large overlap of U out1 and U out2 with respect to the required measurement accuracy to be able to reach the associated current ranges. As a consequence, both the current range for U out2 and the dynamic range of the overall measurement are reduced.
Um
dieses Problem zu lösen, werden zusätzliche Verstärkungsstufen
eingeführt.
Wegen
U4 > U3, U1 > U2 und
R2 < R3 wird bei zunehmendem Strom Iin zuerst
die Durchbruchsspannung des Limiters erreicht, der R3 parallel
geschaltet ist. Bei weiter zunehmendem Strom Iin wird
später die Durchbruchsspannung des Limiters erreicht, der
der gesamten Reihenschaltung aus R2 und
R3 parallel geschaltet ist. Dem Widerstand
nR entspricht hier die Reihenschaltung aus R2 und
R3, und zusätzlich zu dem nR parallel geschalteten
Limiter ist ein nur R3 parallel geschalteter
Limiter vorgesehen. Würden die Ausgangsspannungen aller
Operationsverstärker wie in
Eine
alternative Anordnung der Spannungsquellen ist in
Tabelle
2 fasst charakteristische Daten des Schaltkreises für U1 = U2 = 7 V, U3 = U4 = 3,5 V und
Usat = 12 V zusammen. Für das Beispiel
2.3 müssen Operationsverstärker mit extrem niedrigen
Eingangsoffsetspannungen gewählt werden. Beispiele sind
AD 549 oder AD 795 von Analog Devices, oder OPA 129 von Texas Instruments.
Die Zeitkonstanten für die Applikationen im Ausführungsbeispiel sind höher als im Falle des dualen Vorverstärkers. Dies resultiert aus den Streukapazitäten der beiden Limiter. Dennoch wird ein hoher dynamischer Bereich mit einer großen Überlappung benachbarter Strombereiche erzielt.The Time constants for the applications in the embodiment are higher than in the case of the dual preamplifier. This results from the stray capacitances of the two limiters. Nevertheless, a high dynamic range with a large overlap achieved adjacent power ranges.
Tabelle
3 zeigt typische Operationsparameter für unterschiedliche
Bias-Ströme Ibias, welche auf Grund der
Vorspannung Ubias fließen, sowie
die Optimierung des positiven Feedbacks zur Kompensation der Streukapazitäten.
Der maximale Strom in diesem Schaltkreis ist bestimmt durch die Wärmedissipation der Dioden infolge Stromfluss. In der vorgestellten Lösung kann der Strom derart begrenzt werden, dass die Temperatur der Dioden sich um nicht mehr als ±0,5 K ändert. Der maximale Strom wurde unter Berücksichtigung der thermischen Koeffizienten der Komponenten abgeschätzt.Of the maximum current in this circuit is determined by the heat dissipation of the diodes due to current flow. In the presented solution the current can be limited so that the temperature of the diodes does not change by more than ± 0.5K. The maximum Electricity was taking into account the thermal coefficients of the components.
Gerät
2 wurde als Grundkomponente in einen Vierelektroden-Potentiostaten
eingebaut.
Der Bipotentiostat kontrolliert des Potential von zwei Elektroden bezogen auf eine Referenzelektrode RE unter Verwendung einer Gegenelektrode CE, wobei der Strom durch beide Arbeitselektroden WE1 und WE2 separat aufgezeichnet wird. Der durch jede der Arbeitselektroden fließende Strom wird hierzu durch je ein Gerät 2 in ein Spannungssignal verwandelt. Zusätzlich wird das Potential jeder der beiden Arbeitselektroden über einen weiteren, als Spannungsfolger beschalteten Operationsverstärker gemessen. Auch das Potential der Referenzelektrode RE wird über einen Spannungsfolger gemessen. Die Messung wird mittels eines 16 bit Digital-zu-Analog (D/A) Wandlers und eines 8-Kanal Analog-zu-Digital (A/D) Wandlers über einen Mikrokontroller MC gesteuert, der über einen Puffer BUF verfügt. Das Nutzerinterface und die Darstellung der Daten wurden über ein selbst-entwickeltes Windows Programm realisiert. Der Mikrokontroller MC kommuniziert über eine galvanisch isolierte USB Schnittstelle mit einem PC.The bipotentiostat controls the potential of two electrodes with respect to a reference electrode RE using a counter electrode CE, the current being recorded separately by both working electrodes WE 1 and WE 2 . For this purpose, the current flowing through each of the working electrodes is transformed by a respective device 2 into a voltage signal. In addition, the potential of each of the two working electrodes is measured via another operational amplifier connected as a voltage follower. Also, the potential of the reference electrode RE is measured by a voltage follower. The measurement is controlled by means of a 16-bit digital-to-analog (D / A) converter and an 8-channel analog-to-digital (A / D) converter via a microcontroller MC which has a buffer BUF. The user interface and the presentation of the data were realized via a self-developed Windows program. The microcontroller MC communicates with a PC via a galvanically isolated USB interface.
Die Kontrolleinheit liefert zwei Spannungssignale. Ein Signal legt das Potential der Referenzelektrode RE fest und repräsentiert daher das Potential der Arbeitselektrode WE1, da dieses grundsätzlich relativ zur Referenzelektrode RE gemessen wird und WE1 auf Erdpotential gehalten wird. Das zweite Signal legt das Potential der Arbeitselektrode WE2 fest und repräsentiert somit die Potentialdifferenz zwischen den Arbeitselektroden WE1 und WE2. Beide Signale werden gemäß einem vom Nutzer vorgegebenen, diskreten Zeitprogramm generiert. Die Signale sind dann abschnittsweise konstant und können zwischen diesen Abschnitten Sprünge aufweisen. Alternativ ist ein analoger, über den Schalter zuschaltbarer Rampengenerator SG implementiert. Die Verwendung eines rampenförmigen, stetigen Spannungsverlaufs hat Vorteile für zyklisch voltammetrische Experimente mit hohen kapazitiven Systemen.The control unit supplies two voltage signals. A signal determines the potential of the reference electrode RE and therefore represents the potential of the working electrode WE 1 , since this is basically measured relative to the reference electrode RE and WE 1 is kept at ground potential. The second signal determines the potential of the working electrode WE 2 and thus represents the potential difference between the working electrodes WE 1 and WE 2 . Both signals are generated according to a user-specified, discrete time program. The signals are then sectionally constant and can have jumps between these sections. Alternatively, an analog ramp generator SG which can be connected via the switch is implemented. The use of a ramped, steady voltage waveform has advantages for cyclic voltammetric experiments with high capacitive systems.
Von dem Spannungssignal, dass jeweils ein Gerät 2 aus dem durch eine Arbeitselektrode fließenden Strom generiert, wird über einen Differenzverstärker das Potential dieser Arbeitselektrode abgezogen, bevor das Signal an den A/D-Wandler weitergegeben wird. Andernfalls würde an der Arbeitselektrode WE2 neben dem durch den zu messenden Strom durch WE2 bewirkten Spannungsabfall auch das über den D/A-Wandler an diese Elektrode angelegte Potential mit gemessen. An der Arbeitselektrode WE1 würde ohne den Differenzverstärker neben dem durch den zu messenden Strom durch WE1 bewirkten Spannungsabfall auch ein parasitäres Potential dieser nominell auf Erdpotential befindlichen Arbeitselektrode mit gemessen.From the voltage signal that each generates a device 2 from the current flowing through a working electrode current, the potential of this working electrode is removed via a differential amplifier before the signal is passed to the A / D converter. Otherwise, at the working electrode WE 2, in addition to the voltage drop caused by the current to be measured by WE 2 , the potential applied to this electrode via the D / A converter would also be measured. At the working electrode WE 1 would be measured without the differential amplifier in addition to the caused by the current to be measured by WE 1 voltage drop also a parasitic potential of this nominally at ground potential working electrode.
Der 16 bit A/D-Wandler arbeitet mit einer Abtastrate von 80 kHz. Dabei werden 5 interne Signale sukzessive gespeichert. Bei der Datenaufzeichnung können sowohl das Zeitintervall zwischen zwei Datenpunkten (Acquisition time) als auch die Integrationszeit, innerhalb derer Daten der gleichen internen Quelle gemittelt werden, vom Nutzer frei eingestellt werden. Damit kann der Nutzer eine optimale Auswahl der Aufzeichnungsparamter vornehmen, angepasst an die maßgebliche Zeitskala des jeweils aktuellen Experimentes.The 16 bit A / D converter operates at a sampling rate of 80 kHz. 5 internal signals are stored successively. In the data logging, both the time interval between two data points (acquisition time) and the integration time within which data of the same internal source can be averaged be freely set by the user. Thus, the user can make an optimal selection of the recording parameters, adapted to the relevant time scale of the current experiment.
Die
Stromauflösung des Instrumentes gemäß
Im Spannungsbereich zwischen 0,2 und 1,1 V finden keine elektrochemischen Prozesse statt. Der bis auf das Rauschen konstante Strom in diesem Spannungsbereich rührt von einer unerwünschten Kapazität von etwa 2 pF her. Am Punkt P1 bilden sich Oxide auf der Oberfläche der Elektrode. Nach Umpolen der Spannung werden diese Oxide am Punkt P2 elektrochemisch wieder reduziert.In the voltage range between 0.2 and 1.1 V, no electrochemical processes take place. The constant current in this voltage range, apart from the noise, results from an undesired capacitance of approximately 2 pF. At point P 1 , oxides form on the surface of the electrode. After reversing the voltage, these oxides are electrochemically reduced again at point P 2 .
Aus dem durch die Reduktion bewirkten Strompeak am Punkt P2 lässt sich die bei dieser Reduktion umgesetzte Ladung und hieraus wiederum die effektive unisolierte Fläche an der vordersten Spitze der Nanoelektrode zu etwa 0,7 μm2 bestimmen.From the current peak caused by the reduction at the point P 2 , the charge converted in this reduction and, in turn, the effective uninsulated area at the foremost tip of the nanoelectrode can be determined to be approximately 0.7 μm 2 .
Der
Ruhestrom der Sensordiode wurde auf ~3 pA eingestellt. Daraus resultiert
eine Zeitkonstante von ~2 ms und ein Rauschen von 5 fA RMS für
eine Bandbreite von 1 Hz. Die Integrationszeit beträgt
0,2 s. Alle in
Der
für die Messung von
Diese Schaltung kombiniert die Vorteile eines Multikanal Strom-Spannungs-Wandlers (Gerät 1) mit einem abstimmbaren logarithmischen Strom-Spannungs-Wandler (Gerät 2). Diese Lösung reduziert die komplexe Kalibrierungsroutine der logarithmischen Einheit. Eine Routine zur Selbstkalibrierung der Dioden kann implementiert werden, die simultan zu einer aktuellen Messung abgerufen werden kann. Infolge der Überlappung der Strombereiche (analog zu Gerät 1), welche den Ausgangsspannungen Uout2 und Uout1 entsprechen, kann das Ausgangssignal bei Uout1 mit Uout2 kalibriert werden, da Uout2 keine Kalibrierung (lineare Komponenten) erfordert. Die logarithmische Endstufe wird darüber hinaus nur in einem begrenzten dynamischen Strombereich eingesetzt, in welchem die eingesetzten Dioden eine exakt exponentielle Strom-Spannungs Charakteristik zeigen. Durch diese Kombination kann die thermische Kontrolle der strommessenden Dioden eingespart werden. Zusätzlich zur Vereinfachung der Komponenten resultiert daraus auch eine erhebliche Platzeinsparung.This circuit combines the advantages of a multi-channel current-voltage converter (device 1) with a tunable logarithmic current-voltage converter (device 2). This solution reduces the complex calibration routine of the logarithmic unit. A routine for self-calibration of the diodes may be implemented, which may be retrieved simultaneously with a current measurement. Due to the overlap of the current ranges (analogous to device 1), which correspond to the output voltages U out2 and U out1 , the output signal at U out1 can be calibrated with U out2 , since U out2 does not require calibration (linear components). In addition, the logarithmic output stage is used only in a limited dynamic current range in which the diodes used exhibit an exactly exponential current-voltage characteristic. By this combination, the thermal control of the current-sensing diodes can be saved. In addition to simplifying the components, this also results in considerable space savings.
In
Der Schaltkreis ist mit einem Kalibrierwiderstand R6 und einem Schalter SW ausgestattet. Dies ermöglicht die Generierung eines Stromes zur Durchführung der Autokalibrierungsroutine. Der Schalter kann ein mechanisches oder ein „solid state” Relais sein. Durch Betätigen des Schalters SW und das Anlegen einer entsprechenden Kalibrierungs-Spannung kann ein Stromfluß durch D1, D2, R2, D3 und D4 generiert werden. Durch die sorgfältige Auswahl der Werte für R3, R6 und die vor dem Schalter SW vorgelegte Spannung Ucal kann ein solcher Strom generiert werden, so dass eine genügend großer Überlappung der messbaren Ströme für Uout1 und Uout2 erreicht werden kann, wodurch wiederum die optimale Autokalibrierung ermöglicht wird.The circuit is equipped with a calibration resistor R 6 and a switch SW. This allows the generation of a stream for performing the autocalibration routine. The switch can be a me be a chanical or a "solid state" relay. By actuating the switch SW and applying a corresponding calibration voltage, a current flow through D 1 , D 2 , R 2 , D 3 and D 4 can be generated. By careful selection of the values for R 3 , R 6 and the voltage U cal presented before the switch SW, such a current can be generated so that a sufficiently large overlap of the measurable currents for U out1 and U out2 can be achieved, which in turn the optimal auto-calibration is possible.
In
Tabelle 4 sind Leistungsdaten für typische Aufbauten des
Ausführungsbeispiels aus
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