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TWI440859B - 具有快速回應之寬動態範圍靜電計 - Google Patents

具有快速回應之寬動態範圍靜電計 Download PDF

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TWI440859B
TWI440859B TW099122527A TW99122527A TWI440859B TW I440859 B TWI440859 B TW I440859B TW 099122527 A TW099122527 A TW 099122527A TW 99122527 A TW99122527 A TW 99122527A TW I440859 B TWI440859 B TW I440859B
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William Roger Fletcher
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Mks Instr Inc
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Description

具有快速回應之寬動態範圍靜電計
本發明大體上係關於用於量測電流之方法及系統。特定言之，本發明係關於用於快速量測具有一寬動態範圍之電流之方法及系統。
靜電計量測處於極低位準之一寬範圍之電流。舉例而言，大量的光譜儀使用電流感測器，該等電流感測器具有從小於0.1皮安(pA)至10.0飛安(fA)之八個十進位的涵蓋範圍。量測電流之最簡單方法係在回饋組態中使用一運算放大器。圖1圖解說明一回饋組態，其中電阻器R(101)係回饋元件。該運算放大器30包含一反相輸入32A、一非反相輸入32B及一輸出34。電阻器R係電耦合於該放大器30之輸出34與該放大器30之反相輸入32A之間以形成一回饋迴路。該非反相輸入32B被接地。在此組態中，輸出電壓Vout係根據下列關係而有關於輸入電流Iin：Vout=IinR。
然而，此一組態遭遇到若干問題。對於一給定的頻寬及溫度，輸入電流雜訊係與電阻器R之電阻之平方根成反比例。因此，隨著電阻器R之電阻減小，該輸入電流雜訊增大(類似地，隨著電阻器R之電阻增大，該輸入電流雜訊減小)。
該輸入電流雜訊係亦與頻寬及絕對溫度之平方根成比例。判定回應時間之頻寬係受控於自該回饋電阻器R之電阻形成之時間常數及該回饋電阻器R之固有電容及任何雜散電容。為改良該回應時間，可藉由選擇具有一小電阻值之一電阻器R減小該時間常數。但是此方法具有增大該雜訊之影響，此影響部分係由於增加的頻寬且部分係由於一較小電阻。
可使用積分以減小雜訊。該雜訊係與積分時間之平方根成反比例。因此，隨著該積分時間增加，該雜訊減小。但是積分有效地減小頻寬且增加靜電計之回應時間。積分時間與頻寬之間的關係係：
因此，一秒鐘積分時間相當於0.318 Hz頻寬。且隨著該積分時間增加，頻寬減小，因而增加該回應時間。
使用具有一單一回饋電阻器R之一運算放大器的一靜電計亦遭遇到一限制的動態範圍。該動態範圍係由最大信號之比率決定，該比率可被量測為均方根(R毫秒)雜訊位準的兩倍，該均方根雜訊位準可代表可被充分偵測之最小信號。對於10伏特之一全標度信號，全標度電流將係安培。跨該電阻器R之電壓雜訊係藉由伏特均方根給定，其中K=1.38×10-23 (玻爾兹曼(Boltzman)常數)，T=絕對溫度(°K)，R=電阻(歐姆)，且Bw=頻寬(赫茲)(假設係一磚牆式濾波器)。因此，等效電流雜訊將係：
安培均方根。
若最小可偵測信號係雜訊的兩倍，則該動態範圍將係：
下列表格1列出可於300°K的絕對溫度下自各種電阻器及頻寬得到之動態範圍：
如表格1所示，最佳動態範圍係以具有較小電阻之電阻器達成。在一些應用中，最大可用信號電流係大約200奈安，對於一10伏特信號，該最大可用信號電流代表50兆歐姆之一電阻。然而，由於全標度輸出並不可能，因此不可使用具有小於50兆歐姆之一電阻值之一回饋電阻器R來獲得一較佳動態範圍。實際上，若將一大的輸入電流施加於具有小於50兆歐姆之一電阻值之一回饋電阻器R，則該電壓輸出Vout將飽和(即，Vout將等於施加於該運算放大器30之源電壓位準)。
增大該動態範圍之一方法係添加包含電阻器Ra、Rb、Rc(102a-c)及開關或繼電器Sa、Sb及Sc(103a-c)(如圖1所示)之一電阻器組，該電阻器組提供可選擇的電阻位準。然而，此一電阻器組具有若干缺點。首先，具有最小洩漏電流之開關係複雜精密的，因此係昂貴的。第二，具有繼電器之開關引發靜電場且引進干涉輸入電流信號之其他干擾。第三，開關之使用導致在在電阻器之間切換時之冗長的安定時間。最後，若一大的超過標度的輸入信號被施加於具有一高電阻值之一電阻器上，則開關遭受到過載恢復時間問題。
本發明之特徵大體上在於一種用於量測電流之系統及方法。本發明之一優點係其提供在從數百奈安變化低至數百飛安之一寛動態範圍中的較快速電流量測。本發明之另一優點係其消除飽和或過載問題，該等問題提供不良資料且導致過載恢復時間問題。
在一態樣中，本發明之特徵在於一種靜電計。該靜電計包含一放大器、電阻元件、具有一高阻抗輸入之一緩衝器及至少一二極體。該放大器具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出。該等電阻元件包含一第一電阻元件及一第二電阻元件。每一電阻元件具有一第一末端及一第二末端。該等電阻元件之第一末端係電耦合至該放大器之反相輸入。該第一電阻元件之第二末端係電耦合至該放大器之輸出。該緩衝器具有一輸入及一輸出。該第二電阻元件之第二末端係電耦合至該緩衝器之輸入。該至少一二極體係電耦合於該放大器之輸出與該第二電阻元件之第二末端之間。
在一些實施例中，該緩衝器係一第二放大器，該第二放大器具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出。該第二放大器之輸出係電耦合至該第二放大器之反相輸入。在此組態中，該第二放大器之非反相輸入係該緩衝器之輸入，且該第二放大器之輸出係該緩衝器之輸出。
在一些實施例中，該靜電計亦包含電耦合至該放大器及該緩衝器之輸出之一計算單元。該計算單元基於該等第一電阻元件及該等第二電阻元件之電阻值，及該放大器及該緩衝器之輸出處之電壓位準計算一電流位準。
在一些實施例中，該第一電阻元件之電阻大於該第二電阻元件之電阻。該第二電阻元件之電阻可介於10兆歐姆與100兆歐姆之間，且該第一電阻元件之電阻可介於5千兆歐姆與50千兆歐姆之間。在一些實施例中，該等電阻元件之電阻值之間的比率大於10。
在一些實施例中，複數個二極體包含一第一二極體及一低洩漏且低電容第二二極體，該第一二極體及該第二二極體之各者具有一第一末端及一第二末端。該第二二極體之第一末端係電耦合至該緩衝器之輸入，且該第二二極體之第二末端係電耦合至該第一二極體。在一些實施例中，該第一二極體係一小信號矽二極體。在一些實施例中，該靜電計亦包含將該第二二極體之第二末端電耦合至接地之一第三電阻元件。
在一些實施例中，該靜電計亦包含一電容器及一可調整增益放大器，該可調整增益放大器具有一輸入及一輸出。該可調整增益放大器之輸入可電耦合至該第二二極體之第二末端。該可調整增益放大器之輸出可透過該電容器電耦合至該第二二極體之第一末端。該可調整增益放大器係經組態以用與該第二二極體中之電荷相反的一電荷將該電容器放電。
在一些實施例中，該靜電計亦包含一溫度控制器，該溫度控制器係耦合至至少該第二二極體、該放大器及該高阻抗緩衝器。在一些實施例中，該複數個二極體包含數對二極體，其中每一對中之二極體係並聯電耦合且以相反極性配置。在一些實施例中，該靜電計亦包含一第一抗混淆濾波器及一第二抗混淆濾波器。該第一抗混淆濾波器係電耦合至該放大器之輸出，且該第二抗混淆濾波器係電耦合至該緩衝器之輸出。該靜電計亦包含一第一類比轉數位(A/D)轉換器及一第二A/D轉換器。該第一A/D轉換器係電耦合至該第一抗混淆濾波器之輸出，且該第二A/D轉換器係電耦合至該第二抗混淆濾波器之輸出。
在另一態樣中，本發明之特徵在於一種用於量測電流之方法。該方法包含感測在一放大器之一輸出處之一第一電壓及基於該第一電壓及一第一電阻元件之電阻計算一電流，若該第一電壓低於一預先決定位準，則該第一電阻元件係電耦合於該放大器之一反相輸入與該放大器之一輸出之間。該方法亦包含感測在一緩衝器之一輸出處之一第二電壓及基於該第一電壓及該第二電壓及該第一電阻元件及一第二電阻元件之電阻計算一電流，若來自該放大器之輸出之電壓高於該預先決定位準，則該第二電阻元件係電耦合於該放大器之反相輸入與該緩衝器之一輸入之間。
在一些實施例中，該方法進一步包含取樣電耦合於該緩衝器之輸入與該放大器之輸出之間的複數個二極體之至少一者之正向電壓的變化，及將一第一電荷注入至該複數個二極體之至少一者中。該第一電荷與一第二電荷相反，該第二電荷與該複數個二極體之至少一者相關聯。在一些實施例中，該方法亦包含調整該第一電荷之位準以匹配與該複數個二極體之至少一者相關聯之該第二電荷。
在一些實施例中，感測該等電壓包含自一第一A/D轉換器讀取之第一電壓資料輸出，該第一A/D轉換器係電耦合至該放大器之輸出；及自一第二A/D轉換器讀取之第二電壓資料輸出，該第二A/D轉換器係電耦合至該緩衝器之輸出。
在一些實施例中，該方法亦包含施加一零輸入信號於該放大器之反相輸入，及自該第一A/D轉換器讀取第一電壓資料以獲得零輸入電壓資料。在此等實施例中，基於該第一電阻元件之電阻計算一電流包含計算該第一電壓資料與該零輸入電壓資料之差，及將該結果除以該第一電阻元件之電阻以獲得第一電流資料。在一些實施例中，該方法亦包含自該第二A/D轉換器讀取第二電壓資料以獲得第二零輸入電壓資料。在此等實施例中，基於該第一電阻元件及該第二電阻元件之電阻計算一電流包括計算該第二電壓資料與該第二零輸入電壓資料之差，及將該結果除以該第二電阻元件之電阻以獲得第二電流資料，及加總該第一電流資料與該第二電流資料。
當一起閱讀不一定依比例繪製之隨附圖式時，將從以下闡釋性描述更全面瞭解本發明之前述及其他目的、特徵及優點及本發明自身。
圖2A係根據本發明之一闡釋性實施例之一靜電計200之一示意圖。該靜電計200包含諸如AD549運算放大器之兩個高輸入阻抗靜電計放大器A1及A2(210、220)。該靜電計200亦包含電阻器R1及電阻器R2(231、232)。在此實施例中，電阻器R1具有20千兆歐姆之一電阻，且電阻器R2具有50兆歐姆之一較低電阻。電阻器R1之第一末端237係電連接至放大器A1(210)之反相輸入211，且電阻器R1之第二末端239係電連接至放大器A1之輸出212。放大器A1及電阻器R1之此組態形成一電流轉電壓轉換器。
該靜電計200亦包含經串聯連接之三個二極體D1、D2、D3(201至203)。在一些實施例中，二極體D1(201)及二極體D2(202)係小信號矽二極體(例如，1N4148類型二極體)，且二極體D3(203)係一極低洩漏且低電容二極體(例如，FJH1100類型二極體)。電阻器R2之第一末端234係電連接至放大器A1之反相輸入211，且電阻器R2之第二末端236係透過該三個串聯連接之二極體201至203而電連接至放大器A1之輸出。電阻器R2之第二末端236亦係電連接至放大器A2(220)之非反相輸入221，已藉由將放大器A2之輸出222電連接至放大器A2之反相輸入223而將該放大器A2(220)組態為具有一高阻抗輸入之一緩衝放大器。放大器A2之輸出處之電壓代表二極體D3之陰極209上之電壓。經組態為具有一高阻抗輸入之一緩衝器之放大器220防止電耦合至該電阻器R2之第二末端的任何其他電路裝載該靜電計及對該靜電計之操作的干涉。
當一漸增的電流信號Iin被施加於放大器A1之反相輸入211時，放大器A1之輸出處之電壓開始上升。當二極體D1及二極體D2開始導電時，一電壓信號出現在二極體D3之陽極207上。隨著該電流信號進一步增大，二極體D3開始導電，且一電流I2流過電阻器R2。在二極體D3開始導電之後，且假設可忽略放大器A1及放大器A2之輸入電流及偏移電壓，施加於放大器A1之反相輸入211之輸入電流Iin等於通過電阻器R1之電流I1與通過電阻器R2之電流I2之總和。該電流I1等於輸出電壓V1除以電阻器R1之值，且該電流I2等於二極體D3之陰極209上之電壓除以電阻器R2之值。因此該電流Iin係藉由以下方程式給出：
僅在該輸出電壓V1大於該三個串聯連接之二極體(D1、D2及D3)之正向電壓(Vf)之總和的情況下，電流I2方可流過電阻器R2。因此，在極低電流的情況下，該輸出電壓V2完全係由來自電阻器R2之雜訊構成，且該輸出電壓V1代表總的輸入電流。
在較高輸入電流的情況下，若該輸出電壓V1係大於該等二極體D1、D2及D3之正向電壓，則電流I2將流過電阻器R2，且輸出電壓V1及輸出電壓V2兩者皆代表該輸入電流Iin。可將輸出電壓V1及輸出電壓V2連接至個別A/D轉換器，使得可藉由數位邏輯電路或運行於一電腦處理器上之一軟體程式而讀取輸出電壓V1及輸出電壓V2之資料輸出。
全標度電流在很大程度上係由電阻器R2決定，但是若在輸出電壓V1小於該等二極體之Vf時，該軟體程式僅記錄輸出電壓V1並忽略輸出電壓V2，則雜訊係由R1決定，且來自R2之雜訊係不相關的。由於R2決定全標度範圍且R1決定雜訊基準，因此此優點賦予該靜電計電路寛於正常動態範圍之一動態範圍。因此，本發明結合來自較低值電阻器R2之全標度範圍好處與來自較高值電阻器R1之較低雜訊好處。
只要該等二極體D1、D2及D3導電，R1及R2即有效並聯使得回應係由此並聯組合及任何雜散電容決定。此並聯組合係受控於R2之相對低電阻，該R2之相對低電阻使時間常數變小且因此使該回應變快。在極低電流的情況下，當該等二極體D1、D2及D3不導電時，該回應係由R1及其雜散電容決定。因此，本發明之實施例確保動態範圍之大部分之一快速回應。
決定圖2A及圖2B之該等靜電計的動態範圍係簡單的。對於圖2A及圖2B之該等靜電計，來自電阻器R1之電壓雜訊係由以下表達式給出：伏特均方根。
除以電阻器R1之電阻值，該零信號均方根電流雜訊位準係由以下表達式給出：安培均方根，且最小可偵測信號將係上述表達式之兩倍，即：安培。
來自根據本發明之實施例之該靜電計之全標度輸出信號位準幾乎全部係由10伏特輸出範圍及電阻器R2之值決定。
因此，最大輸出信號係安培。可根據以下表達式計算該動態範圍：
因此，圖2A及圖2B之具有一10伏特全標度輸出之該等靜電計之動態範圍係由以下方程式給出：
下面表格2針對各種頻寬及等效積分時間(顯示在括弧中)比較使用一單一電阻器之一靜電計之動態範圍與圖2A及圖2B中之該靜電計之動態範圍。
如表格2所示，本發明之例示性實施例達成比僅使用一單一電阻器之靜電計之動態範圍至少大一個數量級之動態範圍。
在一些實施例中，電阻器R2之電阻值可介於10兆歐姆與100兆歐姆之間，且電阻器R1之電阻值可介於5千兆歐姆與50千兆歐姆之間。舉例而言，電阻器R2可具有47兆歐姆之一標準電阻值。在一些實施例中，該電阻器R1與該電阻器R2之電阻之比率係大於10。此比率可取決於一特定應用所需之動態範圍及回應時間。該比率亦可取決於該輸入電流信號之位準及期望的輸出信號位準。舉例而言，若最大電流信號係2E-7安培，則需要一50兆歐姆電阻器以獲得一10伏特輸出信號。
當輸入電流信號降低至該等二極體D1、D2及D3停止導電之點(即，切換點)時，由於二極體D3之內部電容及剩餘的正向電壓Vf，二極體D3仍含有少量電荷。透過電阻器Rg使此電荷放電至接地。
若不使用電阻器Rg，則當在低電流位準之情況下操作時(當該等二極體皆未導電時)，該等串聯連接的二極體D1、D2及D3及電阻器R2將與電阻器R1並聯。因此，跨電阻器R1之該等二極體D1、D2及D3之電容將損壞來自電阻器R1之回應。藉由添加電阻器Rg，該等二極體D1、D2及D3之電容係與接地解耦，藉此恢復來自電阻器R1之回應。由於電阻器Rg將自二極體D1及D2之低末端Vf洩漏分流至接地，因此電阻器Rg亦確保存在二極體D3不能通過任何電流之一限定的低位準信號區域。
然而，包含於二極體D3中之透過電阻器Rg而放電至接地之電荷在電流I2中導致一「回波」，其為一錯誤。此錯誤可藉由透過一電容器將一相等且相反電荷注入至二極體D3之陰極209上而克服，在一些實施例中該電容器係一極小低洩漏電容器。在一些實施例中，該電容器係由一PTFE支座之中心引腳及該支座之經電鍍安裝孔組成。在一些實施例中，此一電容器可大至約0.18皮法。為將一相等且相反電荷注入至二極體D3之陰極209上，一反相放大器在其整流期間取樣二極體D3之Vf之變化，且經由該電容器將二極體D3之Vf之該變化施加至二極體D3之陰極209。
該反相放大器可包含一可調整增益，使得可設定由該電容器移除之電荷以匹配二極體D3上之電荷。使用一電位計或其他適合之電子組件可調整該反相放大器之增益。
圖2B係根據本發明之另一實施例之一靜電計之一示意圖。在此實施例中，圖2A之靜電計之二極體D2被移除，且放大器A2係由具有一高阻抗輸入之一緩衝器240替代。因此，電流I2開始流過R2時之輸出電壓V1的位準被減小。在其他實施例中，二極體D1及二極體D2可由一串三個或更多個二極體替代以在電流I2開始流過R2時增加輸出電壓V1。
圖2C係根據本發明之另一實施例之一靜電計之一示意圖。除包含圖2C之靜電計之該等組件外，此實施例進一步包含電阻器R3(233)、串聯連接的二極體D4(204)及二極體D5(205)、一緩衝器241及電阻器Rg2(216)。電阻器R3係電耦合於放大器A1之反相輸入與緩衝器241之輸入之間。二極體D4及二極體D5係電耦合於電阻器R3之第二末端243與二極體D3之陰極235之間。類似於電阻器Rg，電阻器Rg2將二極體D5之陰極與二極體D4之陽極的接面電耦合至接地。在此實施例中，當輸出電壓V1足夠大時，二極體D4及二極體D5導電，電流I3流過電阻器R3，且一對應的輸出電壓V3出現於緩衝器241之輸出處。當所有二極體導電時，一計算單元可基於該等輸出電壓V1、V2及V3與電阻器R1、R2及R3之電阻值(即，藉由計算流過電阻器R1、R2、R3之電流，且加總該等電流)計算一電流。此實施例提供較圖2A及圖2B之該等實施例更大之一動態範圍。其他實施例可包含額外電阻器、二極體及緩衝器以進一步增大該動態範圍。
圖3係根據本發明之一闡釋性實施例之用於量測電流之一靜電計系統300之一方塊圖。該系統300包含一溫度控制器320、一電流量測電路310、一對抗混淆濾波器301a-b、一對A/D轉換器302a-b及一數位計算單元330。該電流量測電路310可包含用於量測電流之類比電路。此電路可包含顯示於圖2A至圖2C中之電路。
溫度控制器320係電耦合至加熱器元件，該等加熱器元件係定位在電流量測電路310之關鍵組件附近。在一些實施例中，該溫度控制器320控制該等加熱器元件之溫度以將該等關鍵組件之溫度穩定在大約攝氏50度以減小漂移。該等關鍵組件可包含(但不限於)顯示於圖2A中之靜電計電路之該等放大器A1及A2及該等二極體D1、D2及D3。該等加熱器元件可包含諸電阻器，該等電阻器係安裝在該等關鍵組件及其屏蔽箱附近的該靜電計印刷電路板之表面上。
然而，加熱該靜電計增大該等放大器A1及A2之偏壓電流，該等偏壓電流繼而增加該等放大器A1及A2之雜訊貢獻。此雜訊與該等電阻器R1及R2之雜訊比較變得明顯。此電阻器雜訊亦可稍微增大，但是由於該電阻器雜訊與絕對溫度(從攝氏25度上升至攝氏50度)之平方根成比例，因此僅將該電阻器雜訊增加一小因數(例如，大約4%)。
該靜電計系統300亦包含抗混淆濾波器301a-b，該等抗混淆濾波器過濾自該電流量測電路輸出之電壓。該靜電計系統300亦包含A/D轉換器302a-b，該等A/D轉換器係電耦合至各自的抗混淆濾波器301a-b。在一些實施例中，可以每秒取樣3750次(sps)之速率同時取樣該等A/D轉換器。此可藉由自同一時脈驅動A/D轉換器302a-b兩者及使用一適當命令(ADS1256 A/D轉換器之「同步」命令)，使得由該等A/D轉換器302a-b所執行的轉換被同時觸發而達成。
在一些實施例中，該等抗混淆濾波器301a-b可將類比頻寬限於大約1.4 KHz，該頻寬充分低於A/D轉換器302a-b之3750 sps取樣速率的一半。該等抗混淆濾波器301a-b亦可衰減電壓輸出信號V1及V2(例如，0.25之一衰減因數)以使其等與該等A/D轉換器302a-b(例如，一ADS1256 A/D轉換器)相容。由於該等電壓輸出信號V1及V2所需之寬動態範圍，該等抗混淆濾波器301a-b可差動連接至該等A/D轉換器302a-b以最小化共模雜訊。
在一些實施例中，該等A/D轉換器302a-b係設置於與該電流量測電路310之PCB總成分開的一PCB總成上。在一些實施例中，圍繞該等A/D轉換器302a-b的電路之佈局係經設計以減小該等A/D轉換器302a-b中之雜訊。亦可提供一低雜訊參考電壓至該等A/D轉換器302a-b以減小雜訊。
該靜電計系統300亦包含一數位計算單元330，該數位計算單元330執行自該等A/D轉換器302a-b輸出之數位電壓資料之計算以獲得電流量測資料。由於該等靜電計電流信號可固有地具有與其等相關聯的一零偏移，因此該數位計算單元330可基於在不含輸入信號之情況下自該等A/D轉換器讀取之讀數應用一零校正。
為決定在小信號的情況下(當電流未流過電阻器R2時)是否拒斥來自電阻器R2之雜訊，該數位計算單元330從與電阻器R1相關聯之A/D轉換器302b讀取原始數位電壓資料(即，對應於輸出電壓V1之數位電壓資料)。若該電壓資料之絕對值小於10000H(十六進位)(或該抗混淆濾波器301b之輸入為156毫伏特或該A/D轉換器302b之輸入為39毫伏特(由於該抗混淆濾波器之0.25衰減因數))，則忽略該輸出電壓V2(與該較小電阻器R2相關聯)。在一些實施例中，該數位計算單元330將所有資料乘以一因數以補償該等抗混淆濾波器301a、301b中之一衰減因數(例如，乘以因數4以補償一0.25衰減因數)，可能需要此方法來調適該等A/D轉換器302a-b之全標度範圍。
該數位計算單元330可包含一處理器，該處理器下列軟體指令以基於自該等A/D轉換器輸出之數位電壓資料計算電流：
IF ABS(V20G)>10000H,
THENI=[{(V20G-V20GZ)/20E+9}+{(V50M-V50MZ)/47E+6}]*4,
ELSEI=[(V20G-V20GZ)/20E+9]*4,
其中，V20G係自與較大電阻器R1相關聯之類比轉電壓轉換器302b讀取之電壓，V20GZ係自與具有零信號輸入之較大電阻器R1相關聯之類比轉電壓轉換器302b讀取之電壓，V50G係自與較小電阻器R2相關聯之類比轉電壓轉換器302a讀取之電壓，V50GZ係自與具有一零輸入信號之較小電阻器R2相關聯之類比轉電壓轉換器302a讀取之電壓，且「ABS()」係一函數，該函數決定對該函數之一給定輸入之量級。
在其他實施例中，該數位計算單元330可將原始數位電壓轉換為十進制數，且使用該十進制數以決定電壓V1是否大於156毫伏特或其他預先決定電壓值。舉例而言，圖4係一程序410之一流程圖，該流程圖可實施為該數位計算單元330中之數位電路，以基於自圖3之系統之該等A/D轉換器讀取之電壓資料計算一電流值。在開始411之後，自該等A/D轉換器302a-b(412)讀取具有及不具有零輸入之數位資料。接著，將該數位資料轉換為十進制值(413)。接著，決定輸出電壓V1是否大於156毫伏特(或與該等串聯連接的二極體(例如，圖2A之D1、D2及D3)之切換點相關聯之任何其他電壓位準)(414)。若該輸出電壓V1大於156毫伏特，則根據以下方程式計算該電流：I={(V1-V1(零輸入))/R1}+{(V2-V2(零輸入))/R2}(418)。否則，根據以下方程式計算該電流：I=(V1-V1(零輸入))/R1(416)。接著，該程序410結束(419)。
圖5係根據本發明之另一闡釋性實施例之一靜電計之一示意圖。根據此實施例之靜電計係經組態以藉由使用呈一反並聯組態之背對背接線的兩對二極體而與任一極性之一信號工作。特定言之，該對二極體501a-b係並聯連接，且以相反極性配置。類似地，該對二極體502a-b係並聯連接，且以相反極性配置。最後，該對二極體503a-b係並聯連接，且以相反極性配置。接著，該等二極體對501a-b、502a-b及503a-b係串聯連接於放大器210與該第二電阻元件232之第二末端221之間。
顯示於圖5中之靜電計之實施例包含一可變增益反相放大器510。該可變增益反相放大器510之輸出511係連接至該PTFE支座之安裝孔512。使用該安裝孔512以支撐連接至二極體503b之陰極504之導線212，使得大約0.18皮法電容出現於該可變增益反相放大器510之輸出511與二極體503b之陰極504之間。在其他實施例中，其他類型的電容式組件係連接於該可變增益反相放大器510之輸出511與二極體503b之陰極504之間，以提供與該等二極體503a-b上之電荷相等且相反之一電荷。圖5之該靜電計亦包含連接至該可變增益反相放大器510之輸出511之一電位計515。該電位計515允許該放大器510之增益之一小調整以補償因製造差異而引起之個別二極體503a-b之間的不同電容。
可就雜訊及回應描述本發明之實施例之效能。圖6係圖解說明圖5之該靜電計之雜訊表現之一圖表。該雜訊係藉由取得在施加零信號的情況下於不同積分時間處之若干讀數之標準偏差(等於均方根值)而量測。圖6之圖表中之左邊的垂直軸601指示雜訊(安培)，水平軸603指示頻寬(赫茲)，且右邊之垂直軸602指示積分時間(毫秒)。線614代表可歸因於電阻為20千兆歐姆之電阻器R1之理論雜訊，且線613代表可歸因於在攝氏55度下之相同電阻器之實際雜訊。實際雜訊表現比該理論雜訊表現差，其部分係因為外部雜訊拾取，但是主要係因為高於正常放大器輸入偏壓電流之偏壓電流，該等偏壓電流係由於在攝氏50度高溫操作而引起。若該靜電計係在一較正常溫度(攝氏25度)下操作，則該雜訊表現將非常接近該理論值。
類似地，線612代表可歸因於電阻為47兆歐姆之電阻器R2之理論雜訊，且線611代表在靜電計放大器於攝氏55度操作時，對具有此等靜電計放大器組件之相同電阻器之實際雜訊貢獻。因此，圖6之該圖表展示可歸因於電阻器R1及電阻器R2之雜訊隨著頻寬增加(或積分時間減小)而增大。
圖7A至圖7C圖解說明圖5之該靜電計之回應。一回應效能參數係安定為0所需之時間或為在與雜訊位準相容之前提下儘可能接近該時間。此特別適用於以下情況：信號電流已經足夠大使得低洩漏二極體已處於導電，且需要將該信號電流之電荷移除使得可將該輸出快速安定為0。
圖7A至圖7C中之該等圖表包含一垂直軸701，該垂直軸701指示量測到的電流位準(安培)；一水平軸702，其指示安定時間(單位為毫秒)。圖7A至圖7C之該等圖表展示具有漸增倍率的安定時間。七條資料線代表範圍從6.10E-13安培至6.91E-10安培之輸入電流信號。特定言之，該等圖表展示在小於20毫秒內6.91E-10安培之一電流信號被安定為小於2E-14安培。換句話說，該電流信號在小於20毫秒內被安定為小於29 ppm。
以上所描述之方法可被實施於數位電子電路或電腦硬體、韌體、軟體或其等之組合中。該實施方案可為一電腦程序產品，即，具體體現於一資訊載體中(例如，在一機器可讀儲存裝置中)之一電腦程式，該電腦程式係藉由一資料處理設備(例如，一可程式化處理器、一電腦，或多個電腦)執行，或用於控制該資料處理設備之操作。
一電腦程式可以任何形式之程式化語言寫成，包括編譯語言或解譯語言，且該電腦程式可以任何形式部署，包含部署為一獨立程式，或一模組、一組件、一子常式，或適合在一計算環境中使用之其他單元。一電腦程式可經部署以在一電腦或多個電腦上於一位址執行或跨多個位址分散執行且藉由一通信網路而互連。
方法步驟可藉由一或多個可程式化處理器執行，該一或多個可程式化處理器執行一電腦程式以憑藉操作輸入資料及產生輸出資料而執行本發明之功能。方法步驟亦可藉由特定用途邏輯電路(例如，一FPGA(現場可程式閘陣列)或一ASIC(專用積體電路))執行，且設備可被實施為該特定用途邏輯電路。單元可參考實施該功能之電腦程式及/或處理器/特殊電路之部分。
舉例而言，適合於執行一電腦程式之處理器包含一般用途微處理器及特殊用途微處理器兩者，及任何種類之數位電腦之任何一或多個處理器。一般而言，一處理器將接收來自一唯讀記憶體或一隨機存取記憶體或兩者之指令及資料。一電腦之必要元件係用於執行指令之一處理器及用於儲存指令及資料之一或多個記憶體裝置。一般而言，一電腦亦將包含用於儲存資料之一或多個大容量儲存裝置(例如，磁碟、磁光碟或光碟)，或係操作性地耦合以自該一或多個大容量儲存裝置接收資料或將該資料轉移至該一或多個大容量儲存裝置。資料傳輸及指令亦可發生在一通信網路上。
適合用於體現電腦程式指令及資料之資訊載體包含所有形式之非揮發性記憶體，舉例而言，包含半導體記憶體裝置(例如，EPROM、EEPROM)及快閃記憶體裝置及磁碟(例如，內置硬碟或可抽換式磁碟)；磁光碟；及CD-ROM光碟及DVD-ROM光碟。該處理器及該記憶體可由特殊用途邏輯電路補充，或可併入該特殊用途邏輯電路中。
如本文所用之術語「單元」意味著(但不限於)執行特定任務之一軟體組件或一硬體組件。一單元可經有利組態以常駐於可定址儲存媒體上，且可經有利組態以執行於一或多個處理器上。一單元可以一一般用途積體電路、FPGA或ASIC全面或部分實施。因此，舉例而言，一單元可包含諸如軟體組件、物件導向軟體組件、分級組件及任務組件之組件、程式、函數、屬性、程序、子程序、程式碼段、驅動程序、韌體、微程式碼、電路、資料、資料庫、資料結構、表、陣列及變數。經提供用於該等組件及單元中之功能可組合成為較少組件及單元，或可進一步經分離成為額外組件及單元。
在不脫離所主張之本發明精神及範疇的情況下，一般技術者將想到本文所描述之變動、修改及其他實施方案。因此，本發明並非由前面闡釋性描述所界定，而是由以下申請專利範圍之精神及範疇所界定。
30．．．放大器
56．．．A/D轉換器
101．．．電阻器
102a．．．電阻器
102b．．．電阻器
102c．．．電阻器
103a．．．開關
103b．．．開關
103c．．．開關
200．．．靜電計
201．．．二極體
202．．．二極體
203．．．二極體
204．．．二極體
205．．．二極體
209．．．陰極
210．．．放大器
211．．．反相輸入
212．．．導線/放大器A1之輸出
215．．．電阻器
220．．．放大器
221,223．．．輸入
222．．．輸出
231．．．電阻器
232．．．電阻器
233．．．電阻器
234．．．第一末端
235．．．陰極
236．．．第二末端
237．．．第一末端
239．．．第二末端
240．．．緩衝器
241．．．緩衝器
243．．．第二末端
300．．．靜電計系統
301a．．．抗混淆濾波器
301b．．．抗混淆濾波器
302a．．．A/D轉換器
302b．．．A/D轉換器
310．．．電流量測電路
320．．．溫度控制器
330．．．數位計算單元
501a．．．二極體
501b．．．二極體
502a．．．二極體
503b．．．二極體
503a．．．二極體
503b．．．二極體
510．．．可變增益反相放大器
512．．．安裝孔
515．．．電位計
A1-A2．．．放大器
D1-D5．．．二極體
I1-I3．．．電流
Iin．．．輸入電流
R20．．．電阻器
R23．．．電阻器
R24．．．電阻器
R25．．．電阻器
Rg,Rg2,RI,R2．．．電阻器
V1．．．輸出電壓
V2．．．輸出電壓
圖1係根據該先前技術之一靜電計之一示意圖。
圖2A至圖2C係根據本發明之闡釋性實施例之靜電計之示意圖。
圖3係根據本發明之闡釋性實施例之用於量測電流之一系統之一方塊圖。
圖4係根據本發明之闡釋性實施例之用於基於自圖3之系統之A/D轉換器輸出之電壓資料計算一電流值之一程序之一流程圖。
圖5係根據本發明之另一闡釋性實施例之一靜電計之一示意圖。
圖6係圖解說明就雜訊而言之圖5之該靜電計之效能之一圖表。
圖7A至圖7C係圖解說明就安定時間而言之圖5之該靜電計之效能之圖表。
200．．．靜電計
201．．．二極體
202．．．二極體
203．．．二極體
204．．．二極體
205．．．二極體
209．．．陰極
210．．．放大器
211．．．反相輸入
212．．．導線/放大器A1之輸出
215．．．電阻器
216．．．電阻器
220．．．放大器
221．．．輸入
222．．．輸出
223．．．輸入
231．．．電阻器
232．．．電阻器
233．．．電阻器
234．．．第一末端
235．．．陰極
236．．．第二末端
237．．．第一末端
239．．．第二末端
240．．．緩衝器
241．．．緩衝器
250．．．接地
Iin．．．輸入電流
V1．．．輸出電壓
V2．．．輸出電壓
D1-D4．．．二極體
A1-A2．．．放大器
I1-I3．．．電流
Rg,Rg2,R1,R2．．．電阻器

Claims (19)

  1. 一種靜電計(electrometer)，其包括：一放大器，其具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出；第一電阻元件及第二電阻元件，其等各具有一第一末端及一第二末端，該第一電阻元件及該第二電阻元件之該等第一末端係電耦合至該放大器之該反相輸入，且該第一電阻元件之該第二末端係電耦合至該放大器之該輸出，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯；一緩衝器，其具有一高阻抗輸入及一輸出，該第二電阻元件之該第二末端係電耦合至該緩衝器之該輸入；及至少一二極體，其將該放大器之該輸出電耦合至該第二電阻元件之該第二末端，其中該緩衝器係一第二放大器，該第二放大器具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出，該第二放大器之該輸出係電耦合至該第二放大器之該反相輸入，該第二放大器之該非反相輸入係該緩衝器之該輸入，且該第二放大器之該輸出係該緩衝器之該輸出。
  2. 如請求項1之靜電計，其進一步包括電耦合至該放大器及該緩衝器之該等輸出之一計算單元，該計算單元係經組態以基於該第一電阻元件及該第二電阻元件之電阻值及該放大器及該緩衝器之該等輸出處之電壓位準計算一電流位準。
  3. 如請求項1之靜電計，其中該第二電阻元件之該電阻值 小於該第一電阻元件之該電阻值。
  4. 如請求項3之靜電計，其中該第二電阻元件係介於10兆歐姆與100兆歐姆之間，且該第一電阻元件係介於5千兆歐姆與50千兆歐姆之間。
  5. 如請求項3之靜電計，其中該等電阻元件之該等電阻值之間的比率大於10。
  6. 一種靜電計，其包括：一放大器，其具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出；第一電阻元件及第二電阻元件，其等各具有一第一末端及一第二末端，該第一電阻元件及該第二電阻元件之該等第一末端係電耦合至該放大器之該反相輸入，且該第一電阻元件之該第二末端係電耦合至該放大器之該輸出，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯；一緩衝器，其具有一高阻抗輸入及一輸出，該第二電阻元件之該第二末端係電耦合至該緩衝器之該輸入；至少一二極體，其將該放大器之該輸出電耦合至該第二電阻元件之該第二末端，其中該至少一二極體包括一第一二極體及一低洩漏且低電容第二二極體，該第二二極體具有一第一末端及一第二末端，該第二二極體之該第一末端電耦合至該緩衝器之該輸入，該第二二極體之該第二末端電耦合至該第一二極體；一電容器；及一可調整增益放大器，其具有一輸入及一輸出，該可 調整增益放大器之該輸入電耦合至該第二二極體之該第二末端，該可調整增益放大器之該輸出透過該電容器而電耦合至該第二二極體之該第一末端，該可調整增益放大器係經組態以藉由與該第二二極體中之電荷相反之一電荷將該電容器放電。
  7. 一種靜電計，其包括：一放大器，其具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出；第一電阻元件及第二電阻元件，其等各具有一第一末端及一第二末端，該第一電阻元件及該第二電阻元件之該等第一末端係電耦合至該放大器之該反相輸入，且該第一電阻元件之該第二末端係電耦合至該放大器之該輸出，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯；一緩衝器，其具有一高阻抗輸入及一輸出，該第二電阻元件之該第二末端係電耦合至該緩衝器之該輸入；至少一二極體，其將該放大器之該輸出電耦合至該第二電阻元件之該第二末端；一第一抗混淆(anti-alias)濾波器及一第二抗混淆濾波器，該第一抗混淆濾波器電耦合至該放大器之該輸出，該第二抗混淆濾波器電耦合至該緩衝器之該輸出；及一第一類比轉數位(A/D)轉換器及一第二A/D轉換器，該第一A/D轉換器電耦合至該第一抗混淆濾波器之該輸出，該第二A/D轉換器電耦合至該第二抗混淆濾波器之該輸出。
  8. 一種用於量測電流之方法，其包括：感測一放大器之輸出處之一第一電壓；若該第一電壓低於一預先決定位準，則基於該第一電壓及一第一電阻元件之電阻計算一電流，該第一電阻元件電耦合於該放大器之一反相輸入與該放大器之該輸出之間；感測在一緩衝器之輸出處之一第二電壓；若自該放大器輸出之電壓高於該預先決定位準，則基於該第一電壓、該第二電壓、該第一電阻元件之電阻、及一第二電阻元件之電阻計算一電流，該第二電阻元件係電耦合於該放大器之該反相輸入與該緩衝器之一輸入之間，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯；取樣複數個二極體之至少一者之正向電壓的變化，該等二極體電耦合於該緩衝器之輸入與該放大器之該輸出之間；及將一第一電荷注入至該複數個二極體之至少一者中，該第一電荷係相反於與該複數個二極體之該至少一者相關聯之一第二電荷。
  9. 如請求項8之方法，其進一步包括調整該第一電荷之位準以匹配與該複數個二極體之至少一者相關聯之該第二電荷。
  10. 一種用於量測電流之方法，其包括：感測一放大器之輸出處之一第一電壓；若該第一電壓低於一預先決定位準，則基於該第一電 壓及一第一電阻元件之電阻計算一電流，該第一電阻元件電耦合於該放大器之一反相輸入與該放大器之該輸出之間；感測在一緩衝器之輸出處之一第二電壓；及若自該放大器輸出之電壓高於該預先決定位準，則基於該第一電壓、該第二電壓、該第一電阻元件之電阻、及一第二電阻元件之電阻計算一電流，該第二電阻元件係電耦合於該放大器之該反相輸入與該緩衝器之一輸入之間，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯；其中感測該等電壓包括讀取自電耦合至該放大器之該輸出之一第一A/D轉換器輸出之第一電壓資料，及讀取自電耦合至該緩衝器之該輸出之一第二A/D轉換器輸出之第二電壓資料。
  11. 如請求項10之方法，其進一步包括：施加一零輸入信號至該放大器之該反相輸入；及自該第一A/D轉換器讀取第一電壓資料以獲得零輸入電壓資料，其中基於該第一電阻元件之電阻計算一電流包括計算該第一電壓資料與該零輸入電壓資料之間的差，及將該結果除以該第一電阻元件之電阻以獲得第一電流資料。
  12. 如請求項11之方法，其進一步包括：自該第二A/D轉換器讀取第二電壓資料以獲得第二零輸入電壓資料，其中基於該第一電阻元件及該第二電阻元件之電阻計算一電流包括計算該第二電壓資料與該第 二零輸入電壓資料之間的差，及將該結果除以該第二電阻元件之電阻以獲得第二電流資料，及加總該第一電流資料與該第二電流資料。
  13. 一種靜電計，其包括：一放大器，其具有一反相輸入、一非反相輸入及一輸出；第一電阻元件及第二電阻元件，其等各具有一第一末端及一第二末端，該第一電阻元件及該第二電阻元件之該等第一末端係電耦合至該放大器之該反相輸入，且該第一電阻元件之該第二末端係電耦合至該放大器之該輸出，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯；一緩衝器，其具有一高阻抗輸入及一輸出，該第二電阻元件之該第二末端係電耦合至該緩衝器之該輸入，其中該緩衝器之一輸入電壓之變化產生實質上相同之該緩衝器之一輸出電壓之變化；及至少一二極體，其將該放大器之該輸出電耦合至該第二電阻元件之該第二末端。
  14. 如請求項13之靜電計，其中該至少一二極體包括一第一二極體及一低洩漏且低電容第二二極體，該第二二極體具有一第一末端及一第二末端，該第二二極體之該第一末端電耦合至該緩衝器之該輸入，該第二二極體之該第二末端電耦合至該第一二極體。
  15. 如請求項14之靜電計，其進一步包括一第三電阻元件，該第三電阻元件將該第二二極體之該第二末端電耦合至 接地。
  16. 如請求項14之靜電計，其中該第一二極體係一小信號矽二極體。
  17. 如請求項14之靜電計，其進一步包括一溫度控制器，該溫度控制器經組態以穩定至少該第二二極體、該放大器，及該緩衝器之溫度。
  18. 如請求項13之靜電計，其中該至少一二極體包括多個二極體對，每一對係並聯電耦合，且以相反極性配置。
  19. 一種用於量測電流之方法，其包括：感測一放大器之輸出處之一第一電壓；若該第一電壓低於一預先決定位準，則基於該第一電壓及一第一電阻元件之電阻計算一電流，該第一電阻元件電耦合於該放大器之一反相輸入與該放大器之該輸出之間；感測在一緩衝器之輸出處之一第二電壓，該緩衝器經組態使得該緩衝器之一輸入電壓之變化產生實質上相同之該緩衝器之一輸出電壓之變化；及若自該放大器輸出之電壓高於該預先決定位準，則基於該第一電壓、該第二電壓、該第一電阻元件之電阻、及一第二電阻元件之電阻計算一電流，該第二電阻元件係電耦合於該放大器之該反相輸入與該緩衝器之一輸入之間，其中該第二電阻元件與該第一電阻元件並聯。
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