[發(fā)明專利]用于累積和測量緩慢改變的電荷的系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480017085.2
• 申請日: 2014-12-14
• 公開（公告）號: CN105229479B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 茲比格涅夫·索辛;馬列克·亞當(dāng)奇克;馬切伊·索辛;帕維烏·拉斯科
• 申請（專利權(quán)）人: 雅蓋隆大學(xué)
• 主分類號: G01R29/24
• 分類號: G01R29/24;H03F3/70
• 代理公司: 北京銀龍知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11243
• 代理人: 鐘晶;金鮮英

一種用于測量電荷的系統(tǒng)，包括被連接至電荷積分器(120)的電容檢測器(110)，電荷積分器(120)為具有電容(Cf)反饋(130)的運(yùn)算放大器，其中，電荷積分器(120)的輸入級(121)包括一對對稱連接的補(bǔ)償JFET晶體管(T₁、T₂)，它們的柵極被連接至所述電荷積分器(120)的輸入級，其特征在于，一對補(bǔ)償晶體管(T₁、T₂)中的n?型晶體管(T₁)的漏極被連接至電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(122)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于累積和測量緩慢改變的電荷，尤其是由極低頻率的場所感應(yīng)的電荷的系統(tǒng)。

背景技術(shù)

已知存在使用電荷積分器(integrator)來測量電荷的系統(tǒng)。該類型的典型結(jié)構(gòu)如圖1中所示。該系統(tǒng)包括電容檢測器110，其被連接至電荷積分器120，電荷積分器120是具有電容反饋130的運(yùn)算放大器。在該類型的系統(tǒng)中的電荷q的測量是基于將在檢測器系統(tǒng)中累積的電荷轉(zhuǎn)移至參考反饋電容Cf并且使用下面的公式測量該電容的電荷：

檢測器110的電容C_d被連接至具有輸入阻抗的電荷積分器120的輸入級。該輸入阻抗具有電容特性，并且主要包括系統(tǒng)的動態(tài)電容C_dyn＝(K+l)Cf，并且由與之并聯(lián)的輸入幾何電容C_in輕微地變更。檢測器電容C_d和電容C_dyn+C_in的該并聯(lián)導(dǎo)致了在部分(section)αq在檢測器中累積的電荷q被轉(zhuǎn)移至反饋電容C_f。系數(shù)α等于：

因?yàn)?無反饋的)放大器系統(tǒng)的放大系數(shù)非常大(通常K＝10³...10⁹)，所以對于典型電容值Cf、Ci_n、C_d(在一到幾百pF范圍內(nèi))，系數(shù)α接近于一。因此，由檢測器收集的電荷幾乎100％被轉(zhuǎn)移至反饋電容。由檢測器收集的電荷q的量取決于檢測器的大小、其類型(使用的物質(zhì)，例如氣態(tài)或者固態(tài)半導(dǎo)體)，以及累積了生成的電荷的電場的值。為了最佳地累積該電荷，使用相對高的電壓為檢測系統(tǒng)供電。

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最佳的噪聲參數(shù)，其中，輸入電路是基于去除了反饋電阻的JFET晶體管。在該類型的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中，這使得由結(jié)(junction)的反向電流緩慢充電所述反饋電容。該電流不能夠通過使用漏極(漏極)反饋或者光電反饋來進(jìn)行補(bǔ)償。這些反饋類型僅允許控制結(jié)的反向電流的增加，而不能改變其方向。

補(bǔ)償?shù)奈ㄒ豢赡苄允沁B接外部電源，其中，電流的方向(由于在電容C_f上的電荷的累積所造成的)出現(xiàn)在與由JFET晶體管的柵電流l_G確定的方向相反的方向。當(dāng)例如半導(dǎo)體檢測器被連接至積分器的輸入級時，可能出現(xiàn)這樣的情況。這樣的系統(tǒng)的示例如圖2中所示。與上面相同地，每個這樣的對系統(tǒng)的干擾通常多次地增加了輸入噪聲水平。在連接半導(dǎo)體檢測器的情況下，出現(xiàn)了結(jié)，而該結(jié)用方向與晶體管的柵電流方向相反的I_D電流為C_f電容充電。

在從PCT申請WO2012114291的公開中已知的、如圖3所示的、由補(bǔ)償場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償晶體管T₁的柵電流的類似方法。在該系統(tǒng)中，補(bǔ)償n-溝道晶體管的柵電流的結(jié)是p-溝道晶體管。在該解決方案中，額外的p-溝道晶體管的結(jié)實(shí)際上并沒有降低系統(tǒng)的參數(shù)，而且，其傾向于提升這些參數(shù)，尤其是在高電容的系統(tǒng)的情況下。這是由于p-溝道晶體管在信號放大處理中以對稱方式進(jìn)行參與的事實(shí)。在該系統(tǒng)中，補(bǔ)償通常沒有完成(這是由于實(shí)際上不可能匹配結(jié)晶體管以使得它們具有相同的柵電流)。提供允許實(shí)現(xiàn)柵電流的全面均衡的系統(tǒng)的改進(jìn)是值得期望的。

同樣值得期望的是，改善用于測量電荷的系統(tǒng)，以使得該系統(tǒng)可以特別適用于累積和精確地測量緩慢改變的電荷。