DE69214621T2 - Vorrichtung zur Umwandlung eines sehr kleinen Gleichspannungssignals in ein Wechselspannungssignal - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Umwandeln eines Gleichspannungssignals mit sehr geringer Amplitude in ein Wechselspannungssignal.
• Insbesondere wird diese Vorrichtung beispielsweise in Vorrichtungen zum Messen von Spannungen in der Größenordnung 10&supmin;¹&sup0; Volt verwendet.
• Um solche kontinuierlichen oder langsam veränderlichen Spannungen zu messen, werden häufig unter der Bezeichnung Zerhacker bekannte Vorrichtungen verwendet, deren Aufgabe es ist, die kontinuierliche oder langsam veränderliche Spannung in eine Folge von Pulsen konstanter Breite umzuwandeln, deren Höhe die Amplitude der kontinuierlichen oder langsam veränderlichen Spannung wiedergibt.
• Die anschließende Verstärkung des resultierenden Impulssignals gleicht der Verstärkung eines Wechselspannungssignals; die Verstärkung eines derartigen Signals ist im allgemeinen einfacher durchzuführen als die eines kontinuierlichen oder langsam veränderlichen Signals.
• Bei den ersten Zerhackern, die gebaut wurden, wurden als Vibratoren bezeichnete elektromechanische Bauteile eingesetzt, die durch Kontakte gebildet waren, die durch Wirkung eines mit einem sinus- oder rechteckförmigen Wechselstrom versorgten Elektromagneten geschlossen oder geöffnet wurden.
• Später wurden elektronische Schalteinrichtungen, Röhren, klassische Transistoren, Feldeffekttransistoren (FET), zum Teil in Verbindung mit optischen Steuereinrichtungen, Photodioden, Phototransistoren, Photowiderständen sowie eventuell photosensiblen Einrichtungen allein eingesetzt (siehe z.B. die Druckschrift FR-A-2 329 077).
• Durch diese technologischen Entwicklungen konnte das Eigengeräusch der Schalteinrichtungen selber sowie das durch das Steuersignal induzierte Störsignal (optische Kopplung) immer weiter verringert werden, so daß die Messung von Signalen mit sehr geringen Amplituden im Bereich von Mikrovolt bis Bruchteilen von Mikrovolt möglich wurde.
• Um jedoch noch größere Empfindlichkeiten zu erreichen, ist es unerläßlich, daß die Schalteinrichtungen bei niedrigen oder sogar sehr niedrigen Temperaturen arbeiten, um so das Rauschen, egal welcher Herkunft (elektronisch, thermoelektronisch, thermisch) signifikant zu verringern.
• Indem als Kältequelle für eine solche Anordnung flüssiger Stickstoff verwendet wurde, dessen Siedepunkt bei 77 K liegt, konnte der Nanovoltbereich erreicht und sogar etwas unterschritten werden.
• Ideal ware jedoch, wenn man bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts arbeiten könnte, z.B. bei 4,2 K, der Siedetemperatur von flüssigem Hehum. Bei dieser Temperatur sind die obengenannten verschiedenen Rauschquellen quasi vernachlässigbar, doch tritt ein schwierig zu lösendes Problem auf.
• Die besten Transistoren, z.B. die besten Feldeffekttransistoren, die zum Betrieb bei 77 K selektiert sind, arbeiten nämlich durchaus nicht bei dieser Temperatur, weil die Ladungsträger(Elektronen und Löcher)jegliche Beweglichkeit verloren haben.
• Aufgabe der Erfindung ist daher, diese Probleme zu lösen, indem eine Umwandlervorrichtung vorgeschlagen wird, die einfach und zuverlässig ist und bei solchen Temperaturen arbeiten kann.
• Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum Umwandeln eines Gleichspannungssignals mit sehr geringer Amplitude in ein Wechselspannungssignal, mit einem Transformator mit Mittenanschluß, der einem Transistorzerhacker zugeordnet ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Transformator und die Transistoren in einem Bereich eines Gehäuses angeordnet sind, der auf sehr tiefer Temperatur gehalten wird, und in dem ein Isoliermaterial für die Wärmeisolierung der Transistoren angeordnet ist, um die Temperaturschwankungen zu verringern und das Funktionieren der Transistoren aufgrund von Selbsterwärmung durch ihren Steuerstrom zu ermöglichen.
• Die Erfindung ist besser zu verstehen anhand der nachfolgenden, lediglich beispielhaften Beschreibung, die Bezug nimmt auf die beigefügten Figuren. Es zeigen.
• - Fig. 1 ein synoptisches Schema einer erfindungsgemäßen Umwandlungsvorrichtung; und
• - Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Gehäuses, in dem eine erfindungsgemäße Umwandlungsvorrichtung angeordnet ist.
• Wie man in Fig. 1 sehen kann, die ein synoptisches Schema einer erfindungsgemäßen Umwandlungsvorrichtung darstellt, beruht diese auf der Verwendung eines Transformators mit Mittenanschluß, der mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, und eines Zerhackers 2 mit Transistoren, die mit den Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnet sind.
• Der positive Eingangsanschluß für das umzuwandelnde Gleichspannungssignal ist mit dem Mittenpunkt der entsprechenden Wicklung, z.B. 5, des Transformators verbunden, wohingegen jedes Ende von diesem mit einem entsprechenden Transistor 3, 4 verbunden ist.
• Diese Transistoren sind z.B. Feldeffekttransistoren.
• Ein Entkopplungskondensator 6 ist zwischen dem positiven und dem negativen Eingangsanschluß für das Gleichspannungssignal geschaltet, außerdem ist eine Zenerdiode 7 zum Schutz gegen überspannungen an dem positiven Anschluß angeschlossen.
• Die Gates der Feldeffekttransistoren 3 und 4 empfangen Steuersignale über Leitungen 8 und 9, die durch Kondensatoren 10 bzw. 11 entkoppelt und durch Zenerdioden 12 bzw. 13 geschützt sind.
• Ein Wechselspannungssignal wird an den Anschlüssen der anderen Wicklung 14 des Transformators durch Steuerung des einen oder des anderen der Transistoren in herkömmlicher Weise erhalten.
• Wie bereits gesagt, ist diese Wechselspannung leichter zu messen als eine Gleichspannung.
• Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind der Transformator 1 und der Zerhacker 2 in einem Gehäuse 15 angeordnet, das durch eine Trennwand 18 in zwei Bereiche 16 und 17 unterteilt ist.
• Der Transformator 1 und die Transistoren 3 und 4 des Zerhackers sind in dessen Bereich 17 angeordnet, wohingegen der Rest der Schaltung in dessen Bereich 16 angeordnet ist.
• Dieses Gehäuse kann aus einem elektrisch leitfähigen oder supraleitfähigen Material bestehen, wobei es in letzterem Fall einen praktisch perfekten Faraday-Käfig bildet.
• Die Transistoren 3 und 4 können z.B. Feldeffekttransistoren des von der Firma NEC vertriebenen Typs NE 72089 sein. Dies sind Galliumarsenid-Feldeffekttransistoren.
• Diese Transistoren haben eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu Siliciumtransistoren, darunter eine sehr geringe Eingangs-Parasitärkapazität, einen sehr geringen Gate-Leckstrom und die Möglichkeit des Betriebs bei tieferen Temperaturen.
• Der Transformator 1 ist ein Aufspann- oder Spannungstransformator vom Ringtyp mit einem Kern aus magnetischem Material, das unter jenen Materialien ausgewählt ist, die eine gute Permeabilität in einem großen Temperaturbereich und einen sehr schwachen Mikrophoneffekt aufweisen (z.B. Cryoperm oder amorphes Metall).
• Man stellt fest, daß die erfindungsgemäße Umwandlung Standardbauteile verwendet, die weniger kostspielig und bequemer anzuwenden sind als Elemente jüngerer Technologie wie etwa SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device) oder JOSEPHSON-Kontakte.
• Die Zerhacker-Transformatoranordnung ist in einem Bereich des Gehäuses 15 angeordnet, der auf sehr tiefer Temperatur gehalten wird, z.B. unter oder auf 4,2 K, indem z.B. flüssiges Hehum verwendet wird, das in das Gehäuse durch eine Poral-Scheibe 19 eingeführt wird. Ein Material zur Wärmeisolation der Transistoren 3 und 4 ist ebenfalls in diesem Bereich des Gehäuses angeordnet, um die Temperaturschwankungen zu verringern und den Betrieb dieser Transistoren durch Selbsterwärmung aufgrund ihres Steuerstroms zu ermöglichen.
• Es wurde bereits oben gesagt, daß die Transistoren bei so tiefen Temperaturen nicht normal arbeiten. Indem man dieses Wärmeisolationsmaterial vorsieht, nutzt man die in jedem Transistor durch seinen Versorgungsstrom dissipierte Energie, um ihn auf eine ausreichende Temperatur zu bringen, so daß er normal arbeiten kann, obwohl er sich in einer Umgebung auf sehr tiefer Temperatur befindet.
• Im Fall eines Feldeffekttransistors ist die durch den Polarisierungsstrom eines solchen Transistors freigesetzte Energie zwar klein, aber ausreichend, um seine Temperatur auf ca. 120 K zu bringen, wenn die Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle (FET) und der Kältequelle (flüssiges Hehum) durch das Isoliermaterial gut kontrolliert wird.
• Dieses in Fig. 2 allgemein mit 20 bezeichnete Isoliermaterial kann Mikro-Glaskugeln mit einem Durchmesser von ca. 20 µm umfassen. Diese Kugeln ermöglichen es ebenfalls, den Mikrophoneffekt und Temperaturungleichverteilungen zu verringern und den Transformator und seine Anschlußdrähte in Position zu halten.
• Außerdem werden besondere Maßnahmen getroffen, um das thermoelektrische Rauschen zu unterdrücken, das an den Lötstellen erzeugt wird, die die Kontinuität der elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Bauteilen der Schaltung sicherstellen.
• Die üblicherweise verwendeten Zinn-Blei-Legierungen haben nämlich zwei Nachteile, einmal eine große Empfindlichkeit gegen Temperaturschocks und ein mit der angestrebten Auflösung unvereinbares thermoelektrisches Rauschen.
• Um diese Lötstellen zu bilden, ist eine Indium-Blei-Legierung mit Anteilen in der Nähe von 50% für jeden Bestandteil verwendet worden, wobei diese Legierung eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Temperaturschocks und eine praktisch verschwindende Rauschspannung aufweist.
• Bei einer Frequenz von 55 Hz und Temperaturen von 4 K bzw. 290 K treten rückbezogen auf den Eingang der Vorrichtung folgende nichtkompensierte Pegel von Rauschen, Verschiebungsspannung und Verschiebungsstrom auf:
• Der Verschiebungsstrom, der im wesentlichen auf die Eingangskapazität der Feldeffekttransistoren zurückgeht, ist im wesentlichen proportional zur Betriebsfrequenz. Da dieser Strom somit konstant ist, kann er leicht durch eine passende Schaltung kompensiert werden. Dasselbe gilt für die Vers chiebungs spannung.
• Es ist daher zu erkennen, daß der erfindungsgemäße Zerhakker Galliumarsenidtransistoren und ein amorphes Material für den Magnetkreis des Transformators verwendet, und daß das Gehäuse mit einem Isoliermaterial gefüllt ist, das z.B. in Form von Mikrokugeln vorliegt. Es ist zu beachten, daß auch ein isolierendes Pulver verwendet werden kann.
• Diese Kombination von Merkmalen verleiht der erfindungsgemäßen Umwandlungsvorrichtung eine Reihe von Vorteilen, darunter schwache Verschiebungssignale am Eingang, einen geringen Mikrophoneffekt, ein geringes Rauschen und die Einsetzbarkeit in einem großen Temperaturbereich von 1 bis 300 K.
• Letztere Eigenschaft ist besonders interessant, denn durch sie können mit dieser einfach aufgebauten und relativ preiswerten Vorrichtung erreicht werden:
• - bei Umgebungstemperatur eine Leistung, die vorteilhaft vergleichbar ist mit der der besten herkömmlichen Labor- Mikrovoltmeter, deren Auflösung 10&supmin;&sup8; V nicht unterschreitet. Bei dieser Temperatur begrenzen die Rauschquellen dieses neuartigen Zerhackers, die im wesentlichen mit dem thermoelektrischen Effekt der Leitungsdrähte und dem Rauschstrom der Feldeffekttransistoren zusammenhängen, seine Auflösung auf 10&supmin;&sup9; V,
• - bei sehr tiefer Temperatur eine Leistung, die mit derjenigen der oben genannten SQUID's vergleichbar ist, deren Empfindlichkeit bei 10&supmin;¹² V liegt, die aber erheblich teurer und diffiziler in der Anwendung sind.
• Es können selbstverständlich andere Gehäusetemperaturen eingesetzt werden, z.B. eine Temperatur von kleiner oder gleich 77 K, wenn die Kältequelle eine Flüssigstickstoffquelle ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Umwandeln eines Gleichspannungssignals mit sehr geringer Amplitude in ein Wechselspannungssignal, mit einem Transformator (1) mit Mittenanschluß, der einem Zerhacker (2) mit Transistoren (3, 4) zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (1) und die Transistoren (3, 4) in einem Bereich (17) eines Gehäuses (15) angeordnet sind, der auf sehr tiefer Temperatur gehalten wird und in dem ein Isoliermaterial (20) für die Wärmeisolierung der Transistoren (3, 4) angeordnet ist, um die Temperaturschwankungen zu verringern und das Funktionieren der Transistoren (3, 4) aufgrund von Selbsterwärmung durch ihren Steuerstrom zu ermöglichen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur dieses Bereichs (17) des Gehäuses (15) 77 K oder weniger beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur dieses Bereichs (17) des Gehäuses (15) 4,2 K oder weniger beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistoren (3, 4) Feldeffekttransistoren sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (3, 4) Galliumarsenidtransistoren sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungslötungen der Bauelemente der Vorrichtung mit einer Indium-Blei- Legierung hergestellt sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (15) aus elektrisch supraleitfähigem Material besteht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliermaterial (20) aus Mikrokugeln aus Glas gebildet ist.