跨阻抗放大器制造技术

一种跨阻抗放大器及其配置方法。跨阻抗放大器包括耦合在跨阻抗放大器的输出与跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件。电阻器组件包括具有纵向长度的电阻器、电阻元件和包围着电阻元件的绝缘体。电阻器组件进一步包括：多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围绝缘体；以及电压源，用于向多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中第一电压和第二电压各自源自跨阻抗放大器的输出电压Vout，第一电压占Vout第一比例且第二电压占Vout第二比例。电压源包括用于调节第一比例和/或第二比例中的至少一者的电压控制器。

【技术实现步骤摘要】

本披露涉及一种跨阻抗放大器、一种用于配置跨阻抗放大器的方法以及一种用于使用跨阻抗放大器的方法。
技术介绍
有许多应用需要测量信噪比良好的、跨高动态范围的电流。例如，在同位素比值质谱法中，需要一种具有对高动态范围的信号做出准确响应并且高精度地测量同位素丰度的能力的放大器。在这种应用中，往往有特别严格的要求。放大器必须首先测量相对大的离子电流。此输入信号快速减弱并且几秒后出现相对非常弱的二次离子电流(由低同位素丰度引起)。放大器必须能够处理该第一信号的快速减弱和对相对弱的电流信号进行精确测量两者情况。为了实现此内容，在以几乎达到放大器的饱和下测量该第一信号之后，放大器需要快速且精确衰减到零(即，至噪声本底)。放大器还需要生成输出信号的最小下冲和过冲，即使毫伏输出范围接近放大器的噪声本底。可以使用跨阻抗放大器执行这种类型的测量，这些跨阻抗放大器用于执行电流电压转换(“跨阻抗”)。图1示出了现有技术的跨阻抗放大器100，该放大器包括运算放大器10和连接在运算放大器10的反相输入与运算放大器10的输出之间的反馈电阻器R。在理想情况下，跨阻抗放大器将放大输入电流I并且根据等式:V = _I*R将其转换成低阻抗输出电压V。被配置成用于以微微安至毫微微安范围内的小或非常小的输入电流I操作的跨阻抗放大器通常与1E9到1E14欧姆范围内的大的反馈电阻器R—起操作。当测量非常小的输入电流I时，非常小的电流流过反馈电阻器R并且跨反馈电阻器R产生小的电压降，从而驱动运算放大器10的负输入端子，这样使得输出电压V随着对输入信号I的响应而变化。放大器100的输出电压V通过该反馈电阻器补偿该输入电压并且驱动运算放大器10的输入端子至零伏特。理想的放大器将始终在其两个输入端子之间维持零伏特。然而，实际上，偏置电流总是叠加在所测量的输入电流I上。如果偏置电流恒定，还存在恒定的电压降。例如，当使用10ΤΩ的反馈电阻器R时，lfA的偏置电流将引起10mV的电压降。理想地，这种附加电压降应尽可能小，这需要选择具有非常小的偏置电流的运算放大器10。当设计这种类型的跨阻抗放大器时，应特别注意其稳定性，因为极高的阻抗电阻器展现出易于引起放大器振荡的自电容。实际上，已知的是通过使反馈电阻器R与0.05-0.lpF范围内的小电容器C并联来限制放大器的理论带宽。则反馈电阻器R的时间常数τ本身等于T = R*C，这针对非常高值的反馈电阻器大致是0.5到1秒。当要求放大器10实现高精度测量时，例如，同位素比值质谱法中大约lppm( 一百万分之一)，反馈电阻器R的固有指数型衰减在本精度下等于以下衰减D:D = 1η(1Ε+6)*Τ = 13.8*T =大致 7 至 14s。这种大小的衰减对于实际实验而言可能是合理的，但由于极高阻抗电阻器的性质和所添加的电容器，这种理想的(几)分之一实际上是不可实现的。大多数离散的电子电容器内具有固态电介质并且该电介质的非理想行为(如有限的绝缘电阻(泄漏电流)和极化效应(电介质吸收))排斥使用那些电容器。兆欧范围内的极高阻抗电阻器的特性也与理想的电阻器差别很大。温度系数、电压系数、自电容和自感应必须被考虑在内。在制造过程中良好的材料选择可以优化前两种特性，并且由于低操作速度，可以实际上忽略最后一个特性。然而，为了构建工作放大器，应非常仔细地对待自电容。例如在GB2393865B中描述了一种用于试图补偿与跨阻抗放大器中的超高阻抗电阻器相关联的缺点的已知技术，其中，低值电阻器与超高值电阻器串联放置。有待测量的电流被馈送至低得多的阻抗电阻器并且产生补偿电压降以提高电流放大器的性能。然而，这种解决方案假设仅带有杂散电容的几乎理想的电阻器模型。图2示出了示例超高值电阻器200的构造。通过对绝缘陶瓷圆柱体210绕上高阻抗电阻涂层220来构造电阻器200。电阻涂层220充当电阻器200的电阻元件，并且螺旋螺线制作得越多，该部件展现的电阻就越大。为了保护电阻元件220免受机械和/或化学干扰，用漆涂层230气密封电阻元件220，该漆涂层具有约0.75mm厚的厚度，例如0.5mm-1mm之间的厚度，如0.5臟、0.6臟、0.75mm、0.8mm或1臟。理论上，漆涂层230本身还充当电阻零件，因为每一层具有有限的电阻。此外，因为该层是良好的绝缘体，其还充当可以被极化并且遭受电介质吸收的固态电介质。因此，漆涂层230可以被看作是沿着理想电阻部件的长度的分布式电阻器和电容器网格。当测量小电流时，该分布式RC网络网格充当分路阻抗。超高值电阻器的分路阻抗的值可以很高，这引起叠加在有待测量的实际电流上的电流的长时间充电。此外，当物理上移除了有待测量的电流时，网格中所存储的电荷将展现出减弱的电流。除此之外，电阻器周围的电场将在电阻器涂层的RC网络网格中引入电荷。这些效应一起向跨阻抗放大器引入第一指数时间常数，从而损坏所测量的上升和下降时间的斜率并且通常使放大器响应畸变。GB2424330A描述了一种用于通过控制电阻器的电场来试图克服这些问题的技术。提供了金属圆柱体来包围跨阻抗放大器的反馈电阻器并且充当具有空气隔离并且保持在等于放大器输出电压的一小部分的电压下的电容器。通过这种安排，敏感的反馈电阻器受到屏蔽，并且来自外部的电辐射源和场的噪声不会扰乱信号。该跨阻抗放大器包括多个运算放大器，这些运算放大器被配置成用于提高增益并且提供滤波网路以实现该放大器的最小上升时间。在替代性技术中，US7262655B2描述了一种带有约100ΚΩ的相对低值的反馈电阻器的跨阻抗放大器安排。该反馈电阻器由一系列更小值的片式电阻器组成。每个片式电阻器被设置成与并联电阻器梯中的低阻抗片式电阻器很近，该并联电阻器梯旨在补偿这些片式电阻器的分段变化电场的杂散电容。然而，GB2424330A和US7262655B2中建议的解决方案假设反馈电阻器是恒定的线性器件，实际上，针对超高值电阻器，不是这种情况。因此，当使用超高值电阻器时，会降低放大器性能的精度和可重复性。此外，参照图2中所示的超高值电阻器200，电阻器200的绝缘芯210还充当电介质，并且沿着电阻器本体的轴向电场会产生电介质电荷并且因此还在绝缘芯210中引起电介质吸收。同样地，包围着电阻元件220的绝缘元件230也可能遭受电介质吸收。这种电介质吸收引入第二时间常数，当测量非常小的电流(即，毫微微安)时，该第二时间常数引起进一步的不想要的衰减和/或畸变。在某些情况下，该第二时间常数会如此长以至于在输入变化后输出信号将实际上从不达到正确的电平(例如，0V)。图3示出了跨阻抗放大器的输出处对输入处的零电平信号的阶跃变化的示例响应。这种响应证明了第一时间常数^和第二时间常数τ 2的影响。标记为τ撕曲线显示当假设反馈电阻器是恒定的线性器件时^的影响(S卩，忽略τ 2的影响)。标记为τ 2的曲线显示带有超高阻抗反馈传感器的放大器的实际响应。如可以看到的，引起该第二时间常数的电介质吸收已经使放大器响应延迟和畸变，这样使得放大器输出会实际上从不达到正确的电平。图4示出了对输入处的零电平信号的阶跃变化的进一步示例放大器响应，该阶跃变化可以是现有技术跨阻抗放大器特有的。如可以看到的，放大器输出最初快速减小，因为放大器被优化成使τ:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种跨阻抗放大器，包括：耦合在该跨阻抗放大器的输出与该跨阻抗放大器的输入之间的电阻器组件，该电阻器组件包括：具有纵向长度的电阻器，该电阻器包括：电阻元件：以及包围着该电阻元件的绝缘体；以及多个导电补偿元件，每个导电补偿元件沿着该电阻器的纵向长度的至少一部分至少部分地包围着该绝缘体；以及电压源，用于向该多个导电补偿元件中的第一导电补偿元件施加第一电压并且向该多个导电补偿元件中的第二导电补偿元件施加第二电压，其中：该第一电压和该第二电压各自源自该跨阻抗放大器的输出电压Vout，该第一电压占Vout第一比例并且该第二电压占Vout第二比例，并且其中，该电压源包括：电压控制器，用于调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：H·莱尔臣，
申请(专利权)人：塞莫费雪科学不来梅有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE