(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定増幅器であって、該測定増幅器は、
少なくとも１つのコンデンサ（C1）を有する積分器（２）から構成されている電荷バランス増幅器を備え、
基準電流源（33）を備え、該基準電流源は、積分器（２）の出力側（９）に現れる電圧（Ua）が基準電圧（Uref）を上回った時／下回った時に、基準電流（Iref）を所定の時間（Ｔ）の間、積分器（２）の入力側（11）へ供給し、
積分器（２）の出力側に現れる電圧（Ua）が加えられ、この電圧の時間的な変化に比例する出力量を供給する回路が設けられている形式の、測定増幅器において、
コンデンサ（C2）が、積分器として動作する回路の入力側に直列に設けられており、該コンデンサ（C2）に並列にスイッチング素子（13）が設けられていて、その閉位置において該コンデンサを橋絡することを特徴とする、測定増幅器。
【請求項２】
固定または可変の補償電流（Ik）を供給する補償用電流源が設けられており、該補償電流は、積分器として動作する回路の反転入力側（７）に供給される、請求項１記載の測定増幅器。
【請求項３】
差動装置（４）に積分器（２）の出力側に現れる電圧が加えられ、積分器（２）の出力側における電圧（Ua）の変化がこれに比例する電圧に変換される、請求項１または２記載の測定増幅器。
【請求項４】
電圧（Ua）の時間的な変化が、時間的な順序での、積分器（２）の出力側における電圧の少なくとも２回の測定により検出される、請求項３記載の測定増幅器。
【請求項５】
積分器が演算増幅器（１）から構成されており、該演算増幅器（１）は、反転入力側（７）と出力側（９）との間の少なくとも１つの負帰還結合分岐路を有し、該分岐路はコンデンサ（C1）を含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定増幅器。
【発明の詳細な説明】
本発明は請求の範囲１の上位概念に示されている測定増幅器に関する。
DE−Ａ−33  22  471は本発明が基礎とする従来技術を内容としている。US−Ａ−39  44  920には積分器を用いて小さい電流を測定するための装置が記載されている。US−Ａ−46  20  148からは、入力側に相互に補償される電流が供給される積分器を備えた精密な電流測定装置が公知である。
著しく小さい電流を検出する場合に次の問題が生ずる。即ち積分器として動作する回路、例えば演算増幅器の出力電圧および、基準電流限のスイッチの出力電圧が、時間的に変化するエラー電流またはリーク電流により影響される問題が生ずる。
本発明の課題はエラー電流を検出することである。
エラー電流を本発明のように検出するために、演算増幅器の入力側と直列にコンデンサが設けられている。さらにスイッチング素子が設けられており、このスイッチング素子は閉位置においてコンデンサを橋絡する。スイッチング素子が閉じられた時と、開かれた時との積分器の出力側において測定される電圧変化の差から、エラー電流を測定できる。このエラー電流を補償する目的で、有利には補償電流源が設けられている。この補償電流源により、可調整の補償電流が供給される。補償電流は積分器として用いられる回路の入力側に供給される。補償電流は正確なエラー電流補償において、差動装置として動作する演算増幅器の出力電圧がスイッチング素子の開放時と閉成時とで等しくなるように調整されている。スイッチング素子を開閉することにより、および補償電流の大きさを変化させることにより、エラー電流を完全に補償できる。
入力電流に比例する周波数を有する出力電圧を供給する形式の公知の電荷バランス形増幅器は、積分コンデンサを含む積分器を有する。さらにこの公知の電荷バランス形増幅器は基準電流源を有する。この基準電流源は、積分器の出力側に現れる電圧が基準電圧を上回った時／下回った時に、所定の時間にわたり入力端子へ基準電流を供給する。基準電流源が投入接続されるとコンデンサは放電される。充電および放電過程が行われる際の周波数は入力電流に比例する。
著しく小さい電流を測定するためのこの種の電荷バランス形増幅器を使用する限り、この周波数は著しく低い。その結果、測定値検出が困難となる。測定されるべき入力電流の変化は直ちには検出できない。何故ならば著しく小さい入力電流の場合には充電過程の時間が長すぎるからである。
したがって本発明による測定増幅器においては、積分器の出力側に現れる電圧が入力される回路がさらに設けられている。この回路は例えば差動装置とすることができる。この差動装置は電圧の時間的な変化に比例する出力電圧を供給する。差動装置の出力電圧は測定増幅器の測定されるべき入力電流に比例する。さらに電圧変化を少なくとも２つの時点における測定によっても検出できる。
本発明による測定増幅器は著しく小さい電流の検出を可能にし、約10-15アンペアより小さいオーダにある、例えば電離真空計により形成されるイオン電流を測定する真空技術において使用できる。
差動装置の出力は、基準電流源が遮断されていて積分コンデンサが充電される時に、有利に評価される。積分器の出力側に現れる電圧の時間的な変化から、入力電流の大きさを推量できる。入力電流が大きいほど、それだけ迅速に演算増幅器の出力電圧は基準電圧に達する。
次に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
第１図は測定増幅器のブロック図、第２図は積分器と後置接続の差動装置から構成されている測定増幅器の回路図、第３図は積分器として動作する演算増幅器の出力側の電圧と、帰還結合分岐路の中を流れる電流を時間の関数として示す経過図である。
測定増幅器は、積分器として動作する演算増幅器１と差動装置として接続されている演算増幅器３から構成されている。演算増幅器１の非反転入力側５はアースへ置かれている。この演算増幅器の反転入力側７と出力側９との間の帰還結合分岐路の中に、２つの直列に接続されたコンデンサC1,C2が設けられている。測定されるべき入力電流Imは両方のコンデンサC1,C2の共通の接続点11に供給される。
接続点11と演算増幅器１の反転入力側７との間に設けられているコンデンサC2に並列にスイッチング素子13が接続されている。このスイッチング素子は閉位置においてコンデンサC2を橋絡する。演算増幅器１の出力側９はコンデンサC3を介して演算増幅器３の反転入力側15と接続されている。演算増幅器３の非反転入力側17はアースへ置かれている。演算増幅器３の反転入力側15と出力側19の間の帰還分岐路は抵抗Ｒを含む。
さらに測定増幅器はアナログ／ディジタル変換器21を有する。この変換器は、差動装置として動作する演算増幅器３の出力信号を処理する。積分器２として動作する演算増幅器１の出力側は比較器25の一方の入力側23と接続されている。比較器25の他方の入力側27に、第２図に示されていない基準電圧源により発生される基準電圧Urefが加えられる。比較器25の出力側は時限段例えば単安定マルチバイブレータ28を介して電子スイッチ31の制御入力側29と接続されている。電子スイッチ31は、閉じられたスイッチング位置において、基準電流源33を演算増幅器１の入力側７と接続する。さらに測定増幅器は、可調整の補償電流Ikを供給する、第２図に示されていない補償用電流源を有する。この補償電流は演算増幅器１の反転入力側７に供給される。
次にこの回路の動作を第３図を用いて説明する。
前提とすることは、スイッチング素子13が閉じられていること、およびエラー電流Ifと補償電流Ikがゼロに等しいことである。負帰還分岐路における電流Icは、測定されるべき入力電流Imに相応する。積分器として動作する演算増幅器１の出力側９における電圧Uaは連続的に低下する。出力電圧が基準電圧Urefに等しくなると、比較器25の出力側は正になり単安定マルチバイブレータが制御される。単安定マルチバイブレータは所定の時間Ｔの間、電子スイッチ29を閉じるための制御信号を発生する。この電子スイッチが閉位置にある限り基準電流Irefが流れて、基準電流が入力電流よりも大となるためコンデンサC1が放電される。遅延時間Ｔの経過後に電子スイッチ31が再び開かれて基準電流源33が遮断される。その結果、新たな充電サイクルが開始される。電流源33は、電荷バランスがゼロになるようなオン・オフ比で制御される。単安定マルチバイブレータの出力側に現れる方形波電圧の周波数は、入力電流Imに比例し、周波数計数器で測定できる。
入力電流が上昇すると、第３図に波線で示されているように、コンデンサC1の充電サイクルが短縮される。入力電流が大きいほど、演算増幅器１の出力電圧Uaはそれだけ迅速に基準電圧Urefに達する。時点t1とt2における演算増幅器１の出力側に現れる電圧の差ΔＵから、入力電流Imの大きさが求められる。差動装置は充電サイクル中の電圧の時間変化を検出して、入力電流に比例する出力電圧を発生する。
著しく小さい入力電流を測定すべき場合は、この電流の大きさは演算増幅器１の出力側の電圧の時間変化から、即ち差動装置から測定される。それより大きい入力電流の場合は、単安定マルチバイブレータ28の出力側における方形波電圧の周波数が直接測定され、この周波数から入力電流の大きさが測定できる。
エラー電流Ifの補償は、このエラー電流がコンデンサC1とC2には起因しないという前提の下に、行われる。エラー電流の補償の目的で、補償用電流源から供給される補償電流Ikは、スイッチング素子13の開放時と閉成時とで演算増幅器３の出力電圧が等しくなるように、設定される。スイッチング素子が開かれた場合も閉じられた場合も信号出力側に等しい出力電圧が設定されると、エラー電流は補償され、出力電圧は測定電流Imだけに依存する。その結果、この測定増幅器により、著しく小さい電流であっても、高い精度で測定することができる。補償電流を求めるために入力電流を遮断する必要がなく、したがって、補償過程の間でも測定値検出が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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