放大器制造技术

一种电容式互阻抗放大器，包括：电压放大器，所述电压放大器具有用于连接至输入电流源的反相输入端子；反馈电容器，所述反馈电容器耦合在所述反相输入端子与所述输出端子之间，以累积从所述输入电流源接收到的电荷并相应地产生反馈电压；校准单元，所述校准单元包括校准电容器，所述校准电容器经由校准开关电耦合至所述电压放大器的所述反相输入端子，从而电耦合至所述反馈电容器；所述校准单元可操作以将所述校准开关切换至允许将一定量的电荷从所述校准电容器放电到所述反馈电容器的校准状态；所述电容式互阻抗放大器被设置为在所述校准开关处于所述校准状态时确定在所述反馈电容器两端产生的电压，并且根据产生的所述电压(V)的值和电荷量(Q)来确定用于所述反馈电容器的电容值(C＝Q/V)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】放大器
本专利技术涉及放大器。特别地，但非排他地，本公开涉及用于对由粒子检测器或计数器(例如带电粒子检测器/计数器(例如，用于质谱仪、电子计数器或光子计数器(例如光度计)等的离子束电流测量设备))产生的检测信号进行放大的电容式互阻抗放大器。本专利技术可提供结合了这种放大器的静电计。本公开可以用于放大光电倍增管或光电检测器等的电流输出。
技术介绍
质谱仪要求尽可能高的灵敏度和精确度，以提供准确的质谱分析。鉴于从较少量样品中提取较高质量数据的趋势日益增加，这一要求变得更加迫切。这种情况的出现是因为只有很有限量的样品是可用的，或者是因为可用的样品中含有非常低浓度的目标元素。这些情况不可避免地导致使用低或非常低的信号进行质谱分析，进而后续还需要提高精确度和准确性。检测非常低的光子计数信号所需的光度计也存在同样的要求。最终，质谱仪中的精确度和准确性不可避免地受到所用离子检测系统的精确度的限制。一个主要因素是信号内存在的噪声，这一因素严重限制了低信号离子检测系统的精确度。也就是说，随着检测到的信号的大小接近检测系统内潜在噪声的大小，信噪比下降，并且准确性和精度受到损失。尽管离子检测系统中可能存在许多噪声源，但是当人们考虑离子检测系统当前所基于的原理时，重要的噪声源会变得明显。图1A和1B示意性地示出了质谱仪的示例(图1A)，以及质谱仪中常用的离子检测系统的核心元件(图1B)。具体来说，图1A示出了尼尔(AlfredO.Nier)在二十世纪40年代开发并至今仍广泛使用的尼尔型质谱仪的示例。需要注意的是，这种类型的质谱仪仅是一种类型的质谱仪的一个示例，并且以下讨论并非旨在限制所讨论的原理。质谱仪包括离子源(2)。该离子源(2)被布置为与排空的离子导管(3)连通；该排空的离子导管被布置为在初始直线轨迹上接受从离子源输出的离子；该直线轨迹与磁体(4)产生的磁场相交，并因此，在磁体存在的情况下，会沿弯曲的轨迹进行电磁重定向。在离开磁体的影响后，离子路径(5)恢复直线轨迹，该直线轨迹在离子检测器(6)处终结。如本领域技术人员已知的，在存在磁体(4)的情况下，离子路径的曲线部分的曲率半径取决于所涉及离子的质荷比(m/q)。因此，离子路径(5)的角位移指示了所涉及离子的质荷比。图1B示意性地示出了图1A中质谱仪的离子检测器(6)的核心元件。法拉第杯(7)被布置成与排空的离子导管的终端连通，以便直接接收来自离子源(2)的已经穿过选定的角位移(即选定的质荷比)的离子路径的离子。法拉第杯是导电的(通常是金属的)杯或导管(或仅仅是板)，其被设计为捕获真空离子导管(3)中的带电粒子。当带电粒子到达法拉第杯的导电内表面时，在接收到的离子被中和的同时，法拉第杯的材料会获得少量净电荷。然后法拉第杯的导电材料被放电，以便测量与撞击的带电粒子数量相等的小电流。按照这种方式，尽管穿过离子路径(5)的带电粒子(例如离子)提供了初始粒子电流，但是法拉第杯的导电材料中电子的感应电流提供了随后持续的载流子电流，该载流子电流与初始粒子电流成正比。通过测量从法拉第杯中发出的电流(I)，即每个单位时间(t)中流出或流入(即，接收正离子的情况)法拉第杯的电子(电荷e-)的数量(N)，就可以确定/计算在该时间段上法拉第杯接收到的离子的数量为：然而，每个单位时间内流动电子的数量(N)可能会非常低。为了放大此非常低的电流，检测器采用了跨电阻放大器。跨电阻放大器通常被称为互阻抗放大器(用于电流到电压的转换为：“互阻抗”)，其包括运算放大器单元(8)。该运算放大器单元的正输入端子(9)接地，并且其反相输入(10)以负反馈回路的形式通过电阻器(11)连接到其输出端子(12)。该电路用于通过确保电阻器(11)的值(R)非常高来放大非常低的电流(I)。在理想情况下，放大器将根据以下公式放大输入电流(I)并将其转换为低阻抗输出电压(V)：V＝-I×R方程(2)由于异常小的电流可能大约为微微安培或更少，因此电阻(R)的值可能通常大约为1012至1013欧姆。因此，反馈电阻器(11)两端的电压降可能约为毫伏。当测量很小的输入电流(I)时，很小的电流就会流过反馈电阻(R)并在该电阻两端产生一个小的电压降，从而驱动运算放大器(8)的负输入端(反相输入)。由此，输出电压(V)响应于输入信号电流(I)而变化。这种布置具有将运算放大器单元(10)的反相输入处的电压驱动到0(零)伏的效果。当测量例如由检测小离子束而产生的小电流时，在该放大器设计中使用的反馈电阻器(11)的固有电噪声成为限制检测器单元(6)的测量精确度的非常重要的误差因素。特别地，反馈电阻器的Johnson-Nyquist噪声是由构成反馈电阻器的导电材料内的黑体辐射引起的，并由以下方程描述：这里，ΔV是噪声(伏特)；kB为玻尔兹曼常数；R为电阻器的值(欧姆)；T为电阻器的温度(开尔文)；tm为积分时间(秒)，即收集测量信号的持续时间。可以看到，噪声级(ΔV)随着电阻器(11)的电阻值(R)的平方根的增大而增加，而信号本身的值(V＝lxR)与电阻器的电阻值成正比地增加。因此，信噪比(S/N)随电阻器(11)的电阻值的平方根而变化：例如，通过将反馈电阻器的电阻值增加100倍，信噪比可以提高10倍。这就刺激了为放大器提供具有越来越大的电阻值(R)的反馈电阻器的行业内竞争。然而，较大的电阻值的直接后果是放大器的响应度降低，并因此造成其中使用该放大器的质谱仪装置的多功能性。例如，在实践中，为了校正检测器噪声，当从原始样本数据信号中获取离子计数信号以去除噪声部分时，可以从“原始”信号值中减去“基线”信号值，并从而显示“纯”信号值。基线信号是在没有输入信号(即没有离子)情况下的检测器的输出结果，因此可归属于检测器噪声。理想的情况是，在连续的测量周期之间(例如，每隔几十秒)以规则的间隔重复这种基线测量。为了使该重复的基线测量过程可行，在撞击法拉第杯的离子的电流一减小到零就使检测到的运算放大器的输出信号(V)达到值0V这一意义上而言，希望放大器装置对于离子信号的消除(即，由此离子不再撞击法拉第杯)具有足够的响应。这意味着运算放大器产生的任何剩余的输出信号(12)都可以被确信地认为仅仅是噪声的结果，这样的基线是人们希望测量的。然而，不幸的是，放大器不会立即对离子电流的消除做出响应，并且在完全消除法拉第杯(7)处的输入离子信号后，放大器还将在很长一段时间内继续产生非零输出电压信号(12)。放大器的输出信号随时间缓慢地以指数方式衰减，最终达到表示基线噪声信号的值。不幸的是，该衰减时间可以持续约几分钟，并且随着反馈电阻器(11)的电阻值(R)的增加而持续增加。该衰减时间归因于放大器中材料的电介特性，包括物理构造中的电阻器基板、印刷电路板、半导体封装和其他必不可少的绝缘体的电介特性。传统的设计通过使用保护环和布局来将不需要的信号最小化，以减少电介质材料的数量。通常使用的方案是插入称为Tau校正的预测校正信号，该方案具有不同程度的成功性。按照这种方式，实际上，在互阻抗放大器中增加反馈电阻器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式互阻抗放大器，包括：/n电压放大器，所述电压放大器具有用于连接至输入电流源的反相输入端子，以及非反相输入端子，所述电压放大器被布置以在所述电压放大器的输出端子处提供输出电压信号；/n反馈电容器，所述反馈电容器耦合在所述反相输入端子与所述输出端子之间，以累积从所述输入电流源接收到的电荷并相应地产生反馈电压；其中所述电容器限定了所述电压放大器的负反馈回路，使得所述输出电压与所述电荷的所述累积成比例；/n校准单元，所述校准单元包括校准电容器，所述校准电容器经由校准开关电耦合至所述电压放大器的所述反相输入端子，并从而电耦合至所述反馈电容器，其中，所述校准单元可操作以将所述校准开关切换至允许将一定量的电荷从所述校准电容器放电到所述反馈电容器的校准状态；/n其中，所述电容式互阻抗放大器被布置以在所述校准开关处于所述校准状态时确定在所述反馈电容器两端产生的电压，并且根据所产生的所述电压(V)的值和所述一定量的电荷(Q)来确定用于所述反馈电容器的电容值(C＝Q/V)。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170316 GB 1704236.7;20170316 GB 1704237.51.一种电容式互阻抗放大器，包括：
电压放大器，所述电压放大器具有用于连接至输入电流源的反相输入端子，以及非反相输入端子，所述电压放大器被布置以在所述电压放大器的输出端子处提供输出电压信号；
反馈电容器，所述反馈电容器耦合在所述反相输入端子与所述输出端子之间，以累积从所述输入电流源接收到的电荷并相应地产生反馈电压；其中所述电容器限定了所述电压放大器的负反馈回路，使得所述输出电压与所述电荷的所述累积成比例；
校准单元，所述校准单元包括校准电容器，所述校准电容器经由校准开关电耦合至所述电压放大器的所述反相输入端子，并从而电耦合至所述反馈电容器，其中，所述校准单元可操作以将所述校准开关切换至允许将一定量的电荷从所述校准电容器放电到所述反馈电容器的校准状态；
其中，所述电容式互阻抗放大器被布置以在所述校准开关处于所述校准状态时确定在所述反馈电容器两端产生的电压，并且根据所产生的所述电压(V)的值和所述一定量的电荷(Q)来确定用于所述反馈电容器的电容值(C＝Q/V)。


2.根据权利要求1所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述校准开关包括光电二极管，所述光电二极管可操作以响应于接收到足以使所述光电二极管导通的光辐射而达到所述校准状态。


3.根据任一项权利要求所述的电容式互阻抗放大器，包括复位开关，所述复位开关电耦合至所述电压放大器的所述反相输入端子并且与所述电压放大器的所述输出端子电隔离，其中，所述开关可切换至允许电荷从所述反馈电容器转移或转移到所述反馈电容器的状态。


4.根据权利要求3所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述复位开关可切换至允许至少一些所述累积的电荷从所述反馈电容器放电的状态。


5.根据权利要求3所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述复位开关包括半导体器件，所述复位开关可切换以在其端子处产生电荷，所述复位开关的端子电耦合至所述反相输入端子，所述电荷的极性与所述累积的电荷的极性相反，从而允许对所述累积的电荷进行放电以中和由所述复位开关产生的所述电荷。


6.根据权利要求4和5中任一项所述的电容式互阻抗放大器，包括：控制器单元，所述控制器单元被布置以监控从所述累积的电荷获取的所述反馈电容器两端的电压，并且控制所述复位开关，以当所获取的电压上升至处于所述电压放大器的动态范围内的第一阈值电压值以上时允许对所述累积的电荷进行放电。


7.根据权利要求6所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述复位开关在允许对所述累积的电荷进行放电的第一状态和不允许对所述累积的电荷进行放电的第二状态之间可切换，其中，所述控制器单元被布置以当所述开关处于所述第一状态时，监控所述反馈电容器两端的电压；以及当所监控的电压下降至处于所述电压放大器的所述动态范围内的第二阈值电压值以下时，控制所述复位开关以达到所述第二状态。


8.根据任一项前述权利要求所述的电容式互阻抗放大器，包括分析器单元，所述分析器单元被布置以确定由所述电荷的累积导致的所述反馈电容器两端的电压的变化率，并且生成电流值，所述电流值表示由所述电容式互阻抗放大器从所述输入电流源接收到的电流。


9.根据任一项前述权利要求所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述电压放大器包括运算放大器。


10.根据任一项前述权利要求所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述复位开关包括二极管。


11.根据任一项前述权利要求所述的电容式互阻抗放大器，其中，所述校准开关包括二极管。


12.根据任一项前述权利要求所述的电容式互阻抗放大器，包括冷却器设备/单元，所述冷却器设备/单元被布置以将所述电压放大器冷却至下降到0(零)摄氏度至-50摄氏度之间的温度，以减小所述电压放大器中的热噪声。


13.一种离子束...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦迪姆·沃尔科沃伊，安东尼·迈克尔·琼斯，达米安·保罗·图特尔，
申请(专利权)人：爱思特匹克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB