跨阻抗放大器的制造方法
【技术领域】
[0001]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。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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”)。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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:
[0011]D = 1η(1Ε+6)*Τ = 13.8*T =大致 7 至 14s。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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)。
[0023]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。
[0024]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:最小化，并且因此具有快速的初始响应。然而，在该快速初始响应之后，可以观察到该输出朝着最终输出电平逐渐蠕变。这种蠕变是由τ2引起，并且引起放大器响应衰减和畸变，这样使得放大器输出会实际上从不达到正确的电平。
[0025]这些影响对于超高值电阻器(即，1ΤΩ及以上)是非常显著的。因此，GB242433A和US762655B2中所描述的解决方案对于使用超高阻抗电阻器的非常小的电流的测量而言可能无效。
【发明内容】
[0026]在本披露的第一方面，提供了一种跨阻抗放大器，该跨阻抗放大器包括:耦合在该跨阻抗放大器的输出和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，电阻器包括:电阻元件；以及包围着该电阻元件的绝缘体。该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。该跨阻抗放大器进一步包括: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，该第一电压占第一比例并且该第二电压占V _第二比例，并且其中，该电压源包括:用于调节该第一比例和/或该第二比例中的至少一个比例的电压控制器。
[0027]该跨阻抗放大器可以是同位素比值质谱法跨阻抗放大器，S卩，该放大器可以适合于在同位素比值质谱法中使用。该跨阻抗放大器可以对输入至该放大器的电流的变化具有相对快速的响应。例如，输出电压可以在输入电流变化后的相对短的时期内(例如，在输入电流变化的8秒、或6.5秒或6秒或5秒或4秒内)稳定到某一水平。该跨阻抗放大器还可以稳定到输出电平而没有任何下冲或过冲，从而使该跨阻抗放大器的输出的稳定时间最小化。当第一和第二输入电流有待测量时，这些特性在同位素比值质谱法中会是有用的，其中，在第一相对大的输入电流已经减弱之后，一段时间后或者在任何其他需要对输入电流的相对快速响应和/或测量小的输入电流的能力的应用中，第二相对小的输入电流(例如，大约微微安(PA)和更小量级，例如400pA(4E-10A)、或ΙΟΟρΑ(ΙΕ-ΙΟΑ)、或60ρΑ(6Ε-11Α)或2pA(2E-12A)或 20fA(2E-14A)或 lfA(lE_15A)等)流过。
[0028]该跨阻抗放大器可以具有是超高值电阻器的反馈电阻器(具体地，其是同位素比值质谱法放大器)，该电阻器可以具有大致1ΤΩ(Β卩，1Ε12Ω)或更大的电阻。例如，该电阻器可以具有 1ΤΩ 或 1-10ΤΩ (3ΤΩ)或 1-100ΤΩ (如 10Τ Ω、20Τ Ω、25Τ Ω、40Τ Ω、60Τ Ω、70ΤΩ、90ΤΩ 或 100ΤΩ)的电阻。
[0029]对于更小值的电阻器而言许多可以忽略的不完善的电阻器特性对于超高值电阻器而言会变得重要。这些特性包括非线性轴向和径向电容和/或沿着电阻器的长度的电介质吸收，这会对使用超高值反馈电阻器的跨阻抗放大器的响应性和准确度具有显著影响。在某些应用中，例如，同位素比值质谱法，为执行同位素测量，跨阻抗放大器电压输出对电流输入的变化的响应的速度和准确度是重要的。
[0030]此外，实际上，超高值电阻器不是恒定的线性器件。由于制造公差，包围着电阻元件的绝缘元件的厚度很可能存在例如大致+/-0.2mm的变化。这引起电阻器中的径