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TW201813285A - 具有增加動態範圍的跨阻抗放大器 - Google Patents

具有增加動態範圍的跨阻抗放大器 Download PDF

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TW201813285A
TW201813285A TW106110891A TW106110891A TW201813285A TW 201813285 A TW201813285 A TW 201813285A TW 106110891 A TW106110891 A TW 106110891A TW 106110891 A TW106110891 A TW 106110891A TW 201813285 A TW201813285 A TW 201813285A
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TW
Taiwan
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current
transimpedance amplifier
voltage
input
ratio
Prior art date
Application number
TW106110891A
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English (en)
Inventor
道格拉斯 漢森
Original Assignee
Ｍｋｓ儀器股份有限公司
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Publication date
Application filed by Ｍｋｓ儀器股份有限公司 filed Critical Ｍｋｓ儀器股份有限公司
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Abstract

一種寬動態範圍跨阻抗放大器包含：第一跨阻抗放大器，被組態以接收第一輸入電流並產生第一電壓為該第一輸入電流的函數，及第二跨阻抗放大器，被組態以接收第二輸入電流，並產生第二電壓為該第二輸入電流的函數。電流操縱元件，使得來自電流源的電流的第一部份流至該第一跨阻抗放大器直到該第一電流部份到達第一臨限電流為止，並使得來自該電流源的電流的第二部份流至該第二跨阻抗放大器，直到該第二電流部份到達該第二臨限電流為止。該第二電流部份係為來自該電流源的超出該第一臨限電流的電流。該寬動態範圍跨阻抗放大器可以例如接收來自熱陰極離子真空計(HCIG)的離子收集器電流。

Description

具有增加動態範圍的跨阻抗放大器
本案主張申請於2016年五月13日的美國申請案第15/153,915號的優先權。以上案子的整個教示係併入作為參考。本案相關於具有增加動態範圍的跨阻抗放大器。
離子化真空壓力計可以被用於各種範圍的應用中，例如，半導體製造、薄膜沈積、高能物理、離子佈植、及空間模擬。離子計可以包含冷陰極離子真空計(CCIG)及熱陰極離子真空計(HCIG)兩者，及一些例示HCIG設計包含Bayard-Alpert(BA)、Schulz-Phelps、及三極體計。
示於圖1的典型熱陰極離子真空壓力計的感應器包含陰極130(電子源，也稱為燈絲)、陽極132(也稱為柵極)、及離子收集器電極134。對於BA計，陰極130係徑向位於為陽極132所界定的離子化空間(陽極容積)的外側。
離子收集器電極134被配置於陽極容積內。由陰極130朝向並通過陽極132行進的電子最後為陽極132所收集。在其行進中，電子衝撞氣體分子及原子及建立離子，氣體的分子及原子構成其壓力將予以被量測的氣氛。這些被建立於陽極容積內部的離子係為在該陽極內的電場所吸引向離子收集器電極134，藉以產生離子收集器電流104。
在氣氛內的氣體的壓力P可以由公式P=(1/S)(ii/ie)由離子及電子流加以計算，其中S為具有單位為1/托耳的縮放係數(錶靈敏度)並特徵在於特定錶幾何、電參數及壓力範圍，且ii為離子收集器電流及ie為電子放射電流。
離子收集器電流ii的預期動態範圍可以跨過幾十進制。量測具有此寬動態範圍的電流可能有若干挑戰，包含但並不限於操作不連續性、較高成本、增加的複雜度與不想要的校正需求。
例如，可以使用對數放大器，以壓縮電流的動態範圍至壓縮的對數範圍，但對數放大器的校正也可能太費時並可能對離子收集器電流量測系統增加複雜性。再者，因為對數轉換為舊技術，所以在市場上的對數轉換器裝置的數量很少，因而它們傾向於很昂貴。
在另一例子中，取決於輸入電流的大小，可程式增益放大器可以對輸入電流施加不同的增益。但當放大器的增益由一值切換至另一值時，可能在放大器輸出發 生不連續性，因而，在電流量測中建立了不想要的間隙。
所述實施例呈現寬動態範圍放大器，其產生對應於接收電流的輸出，該接收電流例如為熱陰極離子真空計(HCIG)所產生的離子收集器電流(在此也稱為“收集器電流”)。一實施例可以是寬動態範圍跨阻抗放大器，其產生對應於收集器電流的電壓輸出。雖然於此的一些描述利用來自HCIG的離子收集器電流作為寬動態範圍跨阻抗放大器的例示輸入，但此一例示電流輸入並不想要作為限制用。所述實施例可以用以接收、放大及以其他方式處理來自HCIG以外的來源的電流。
寬動態範圍放大器可以以多重增益級加以實施，其各個級能提供在一特定動態範圍內的線性放大。所述增益級可以然後被組合在一起以提供整個寬動態範圍的線性放大。
如果至一增益級的輸入電流超出該增益級的線性範圍，則該增益級可以進入非線性模式，也稱為飽和模式。當進入至飽和模式中之增益級的輸入掉回到該增益級的線性範圍時，則在該增益級恢復線性操作之前，可能需要有限量的時間。當輸入電流改變跨越增益級動態範圍的邊界時，此有限“未飽和”時間可能對整個輸出造成不連續。如於此所用，增益級的“飽和電流”為增益級開始展現非線性輸入至輸出特性的最小電流。
為了減緩上述不連續性問題，所述實施例利用電流操縱元件，其限制被輸入至各個增益級的電流至小於該增益級的飽和電流的臨限電流。換句話說，該電流操縱元件致使該增益級藉由將該電流驅離開讓增益級進入飽和的狀態，而使其維持在線性輸入至輸出特性。
雖然在此所呈現的幾個例示實施例描述兩個跨阻抗放大器(高增益及低增益)，但應了解的是，其他實施例也可以利用多於兩個跨阻抗放大器。對於此等實施例，該兩或更多跨阻抗放大器的各者處置輸入電流的總動態範圍的一部份，及電流操縱電路控制流動至該兩或更多跨阻抗放大器的各者之輸入電流的部份。
於此所述之例示實施例可以包含高增益線性放大器、低增益線性放大器、及電流操縱元件。當收集器電流在其動態範圍的低部份內時，電流操縱元件將使得所有收集器電流被操縱至高增益線性放大器。
當收集器電流增加及高增益線性放大器接近飽和模式時，電流操縱元件逐漸地使得該收集器電流的一部份被操縱至低增益線性放大器。增量收集器電流的重新指向防止該高增益線性放大器進入飽和模式。
當收集器電流進一步增加及該低增益放大器接近飽和模式時，電流操縱元件可能使得額外增量收集器電流被操縱至洩流(bleed-off)路徑。高增益線性放大器與低增益線性放大器的輸出可以被取樣並組合以產生對應於所接收收集器電流的聚集輸出。將過量電流操縱至洩流 路徑可以防止寬動態範圍放大器在特定狀態中可能過電流。然而，洩流路徑可能引入少量的洩漏電流，因此，可能略微降低該寬動態範圍放大器的準確性與動態範圍。雖然一些實施例包含此一過電流操縱能力，但其他實施例也可以不包含所述之過電流操縱能力。
在一態樣中，本發明可以為寬動態範圍跨阻抗放大器，其包含第一跨阻抗放大器，被組態以接收第一輸入電流並產生為該第一輸入電流的函數之第一電壓。該第一跨阻抗放大器可以特徵在於第一飽和電流，該第一跨阻抗放大器可以在該處停止產生為該第一輸入電流的線性函數的第一電壓。該第一跨阻抗放大器也可以具有第一增益特徵。寬動態範圍放大器也可以更包含第二跨阻抗放大器，其被組態以接收第二輸入電流並產生為第二輸入電流的函數的第二電壓。第二跨阻抗放大器可以特徵在於第二飽和電流，該第二跨阻抗放大器可以在該處停止產生為該第二輸入電流的線性函數的第二電壓。該第二跨阻抗放大器可以進一步具有第二增益特徵。該寬動態範圍放大器也可以包含電流操縱元件，被組態以(i)使得第一輸入電流，由電流源流至該第一跨阻抗放大器，直到該第一輸入電流到達低於該第一飽和電流的第一臨限電流為止，及(ii)當該第一輸入電流到達該第一臨限電流時，使得該第二輸入電流由該電流源流至該第二跨阻抗放大器，直到該第二輸入電流到達低於第二飽和電流的第二臨限電流為止，該第二輸入電流係為來自該電流源的超出該第一臨限 電流的電流。
在一實施例中，電流操縱元件被進一步組態以當流到該第二跨阻抗放大器的第二輸入電流到達該第二臨限電流時，使得來自該電流源的電流的過量部份流至洩流路徑。該電流的過量部份為來自該電流源的超出該第一臨限電流與該第二臨限電流的總和的電流。
另一實施例更包含一或更多額外跨阻抗放大器。該電流操縱元件更進一步被組態以使得電流的該過量部份的一或更多額外部份流至該一或更多額外跨阻抗放大器的各個後續跨阻抗放大器，直到流至後續跨阻抗放大器的該額外電流部份到達對應該後續跨阻抗放大器的後續臨限電流為止。
一實施例更包含一電壓輸出聚集元件，被組態以(i)取樣第一電壓與第二電壓，(ii)決定第一電壓與有關於該第一跨阻抗放大器的回授電阻的第一比率，(iii)決定該第二電壓與有關於第二跨阻抗放大器的回授電阻的第二比率，及(iv)將該第一比率與第二比率相加，以產生該來源電流的評估值。另一實施例可以更包含類比至數位轉換器(ADC)，被組態以數位化第一電壓，產生第一數位化電壓，並數位化第二電壓，以產生第二數位化電壓，及處理器系統，被組態以(i)產生該第一比率與該第二比率，及(ii)將該第一比率與第二比率相加以產生該來源電流的評估值。
在一實施例中，該電流操縱元件被組態以當 該第一電壓增加超出第一臨限電壓時，使得控制二極體變成順向偏壓，而根據該第一電壓來控制該第一輸入電流與第二輸入電流。控制二極體變成順向偏壓可能被組態以使得操縱二極體變成順向偏壓，這將來自電流源的第二輸入電流傳輸至第二跨阻抗放大器。操縱二極體可以藉由修改該第二跨阻抗放大器的輸入偏壓而變成順向偏壓。
在一實施例中，第一增益特徵係大於第二增益特徵。在另一實施例中，當流至該第一跨阻抗放大器的第一電流到達第一臨限電流時，該第二輸入電流開始流動而沒有不連續。
另一態樣中，本發明可以為一種放大來自電流源的電流之方法，該電流具有寬動態範圍，該方法包含使得該電流流至第一跨阻抗放大器，其可以特徵在於第一增益特徵與第一飽和電流。當流至第一跨阻抗放大器的電流到達於小於第一飽和電流的第一臨限電流時，該方法可以使得來自該電流源的電流的一部份流至特徵在於第二增益特徵與第二飽和電流的第二跨阻抗放大器，直到流至該第二跨阻抗放大器的電流的該部份到達小於該第二飽和電流的第二臨限電流為止。到該第二跨阻抗放大器的電流的該部份係由來自該電流源的超出該第一臨限電流的電流。
該方法可以更包含取樣來自該第一跨阻抗放大器的第一電壓，該第一電壓為流至該第一跨阻抗放大器的電流的函數。該方法可以更包含取樣來自該第二跨阻抗放大器的第二電壓，該第二電壓為流至該第二跨阻抗放大 器的電流的函數。該方法也可以包含：決定該第一電壓與有關於該第一跨阻抗放大器的回授電阻的第一比率；決定該第二電壓與有關於該第二跨阻抗放大器的回授電阻的第二比率；及將該第一比率與該第二比率相加，以產生來自該電流源的電流的評估。另一實施例可以更包含：數位化該第一電壓，以產生第一數位化電壓；數位化第二電壓，以產生第二數位化電壓；及產生第一比率、第二比率與第一比率與第二比率的總和，以產生來自該電流源的電流的評估。
在另一態樣中，本發明可以為非暫態電腦可讀取媒體，其上儲存有電腦碼指令。當為處理器所執行時，該等電腦碼指令使得設備，用以執行於此所述之方法。
102‧‧‧熱陰極離子真空計
104‧‧‧離子收集器電流
130‧‧‧陰極
132‧‧‧陽極
134‧‧‧離子收集器電極
120‧‧‧電壓輸出聚集元件
200‧‧‧寬動態範圍跨阻抗放大器
202‧‧‧輸入網路
204‧‧‧調整收集器電流
204a‧‧‧高增益級電流
204b‧‧‧低增益級電流
204c‧‧‧額外調整收集器電流
206‧‧‧高增益跨阻抗放大器
208‧‧‧低電流二極體
210‧‧‧反相高增益電壓輸出
212‧‧‧高增益反相器
214‧‧‧高增益電壓輸出
216‧‧‧電流操縱元件
220‧‧‧電流控制信號
222‧‧‧低增益跨阻抗放大器
224‧‧‧反相低增益電壓輸出
226‧‧‧低增益反相器
228‧‧‧低增益電壓輸出
230‧‧‧洩流路徑
302a‧‧‧1kΩ電阻
302b‧‧‧1kΩ電阻
304‧‧‧節點
306‧‧‧4700pF電容
308‧‧‧類比地端
402‧‧‧1MΩ電阻
404‧‧‧運算放大器
406‧‧‧10MΩ電阻
408‧‧‧10kΩ電阻
410‧‧‧節點
412‧‧‧10MΩ電阻
414‧‧‧1kΩ電阻
416‧‧‧0.1μF電容
502‧‧‧10kΩ電阻
504‧‧‧節點
506‧‧‧10kΩ電阻
508‧‧‧運算放大器
510‧‧‧類比地端
602‧‧‧10kΩ電阻
604‧‧‧運算放大器
606‧‧‧15kΩ電阻
608‧‧‧0.1μF電容
610‧‧‧10kΩ電阻
611‧‧‧+2.5伏電壓源
612‧‧‧節點
613‧‧‧5.62kΩ電阻
614‧‧‧回授二極體
615‧‧‧0.1μF電容
616‧‧‧控制二極體
617‧‧‧類比地端
618‧‧‧節點
702‧‧‧15kΩ電阻
704‧‧‧運算放大器
802‧‧‧10kΩ電阻
804‧‧‧節點
806‧‧‧10kΩ電阻
808‧‧‧運算放大器
810‧‧‧10kΩ電阻
812‧‧‧10kΩ電阻
814‧‧‧類比地端
902‧‧‧第一低電流二極體
904‧‧‧低電流二極體
906‧‧‧類比地端
1300‧‧‧電腦系統
1302‧‧‧系統匯流排
1304‧‧‧I/O裝置介面
1306‧‧‧網路介面
1308‧‧‧記憶體
1310‧‧‧指令碼
1312‧‧‧資料
1314‧‧‧碟片儲存器
1316‧‧‧中央處理器單元
前述將由以下本發明例示實施例的更特定說明配合如於附圖所示加以了解，圖式中的相似元件符號表示在所有圖式中之相同元件。圖式並不必然依比例繪製，而是為了例示本發明之實施例時加以以放大方式進行。
圖1例示先前技藝之熱陰極離子真空計(HCIG)。
圖2例示依據本發明之寬動態範圍跨阻抗放大器的例示實施例。
圖3顯示圖2的輸入網路的例示實施例。
圖4顯示圖2的高增益跨阻抗放大器的例示實施例。
圖5例示圖2的高增益反相器的例示實施例。
圖6例示圖2的電流操縱元件的例示實施例。
圖7顯示圖2的低增益跨阻抗放大器的例示實施例。
圖8例示圖2的低增益反相器的例示實施例。
圖9例示圖2的低電流二極體的例示實施例。
圖10-12例示依據所述實施例之寬動態範圍跨阻抗放大器的模擬效能。
圖13為電腦系統的例示內部結構的方塊圖，其可以用以實施所述實施例的部份。
圖14顯示依據所述實施例之用以放大具有寬動態範圍的電流的例示方法。
圖15顯示依據本發明的多重增益級寬動態範圍跨阻抗放大器的例示實施例。
本發明例示實施例的說明如下。
於此所述之所有專利、公開申請案及參考案 的教示係被併入本案作為參考。
圖2例示依據本發明的寬動態範圍跨阻抗放大器200的例示實施例。圖3至9提供圖2所示之實施例之各個例示方塊元件的詳細說明。圖3至9所示的實施例並不想要作限制用，而是想要對所述實施例的特定實施法提供例示性說明。
輸入網路202接收來自HCIG 102(也見於圖1)的收集器電流104。輸入網路202提供調整收集器電流204給高增益跨阻抗放大器206，也提供給一組低電流二極體208。調整收集器電流204的第一部份流入高增益跨阻抗放大器206。調整收集器電流204的第二部份204b可以流入所述低電流二極體208。如於以下所詳述，當收集器電流204係在其動態範圍的低端時，所有調整收集器電流204流入高增益跨阻抗放大器206。
高增益跨阻抗放大器206放大該調整收集器電流204，以產生反相的高增益電壓輸出210，其被高增益反相器212所反相，以產生高增益電壓輸出214。
電流操縱元件216提供電流控制信號220給低增益跨阻抗放大器222。該電流控制信號220的值係取決於高增益電壓輸出214的值。電流控制信號220透過該低增益跨阻抗放大器222控制流經該低電流二極體208的調整收集器電流部204b的量。在調整收集器電流204到達如高增益電壓輸出214所表示的開始飽和高增益跨阻抗放大器206的位準之前，電流操縱元件216使得額外收集 器電流204b流經低電流二極體208至低增益跨阻抗放大器222。因此，電流控制信號220限制流至高增益跨阻抗放大器的輸入電流至最大量，其可以維持高增益跨阻抗放大器的線性輸入至輸出關係。
低增益跨阻抗放大器222放大該輸出調整收集器電流部份204b，以產生該反相低增益電壓輸出224，其隨後為低增益反相器226所反相，以產生低增益電壓輸出228。控制信號220控制可以為低增益跨阻抗放大器222用以放大的該調整收集器電流204b的量。在輸出調整收集器電流204b到達可以開始飽和低增益跨阻抗放大器的位準之前，額外調整收集器電流204c流入洩流路徑230。因此，電流控制信號220限制了到低增益跨阻抗放大器的輸入電流至維持低增益跨阻抗放大器的線性輸入至輸出關係的最大量。
電壓輸出聚集元件120可以同時取樣高增益電壓輸出214與低增益電壓輸出228。電壓輸出聚集元件120可以藉由總和(i)高增益電壓輸出與高增益跨阻抗放大器的回授電阻的比率及(ii)低增益電壓輸出與相關於該低增益跨阻抗放大器的回授電阻的比率，決定收集器電流104。下式顯示特定於圖3-9中所述之例示實施例的決定收集器電流104的方程式：收集器電流=(高增益電壓輸出/10MΩ)+(低增益電壓輸出/15kΩ)
在一些實施式，電壓輸出聚集元件120可以 以類比至數位轉換器(ADC)結合取樣電路與處理器為主的電腦系統加以實施。在另一實施例中，電壓輸出聚集元件120可以以類比電路、數位電路、其組合，或類比及/或數位電路組合處理器為主的系統加以實施。
為了使在此所呈現的說明簡單明瞭起見，有關於一信號的參考元件符號也可以用以表示傳遞該信號的電導體。例如，收集器電流104的元件符號也可以被表示為流經導體的收集器電流，也可以是傳遞該收集器電流的導體。
圖3顯示圖2的輸入網路202的例示實施例，其包含一對1kΩ電阻302a及302b，其於節點304串聯連接。電阻302a也電連接至收集器電流104，使得收集器電流104可以通過電阻302a流至節點304。電阻302b也連接至調整收集器電流204，使得調整收集器電流204流經電阻302b。4700pF電容306電連接於節點304與類比接地308之間。輸入網路202調整收集器電流104，以用以供寬動態範圍跨阻抗放大器200的後續元件所使用。
圖4顯示圖2的高增益跨阻抗放大器206的例示實施例。1MΩ電阻402係電連接於調整收集器電流204與運算放大器404的負輸入之間。10MΩ電阻406被電連接於運算放大器404的輸出與運算放大器404的負輸入之間。10kΩ電阻408電連接於運算放大器404的輸出與節點410之間。10MΩ電阻412被電連接於節點410與 運算放大器404的負輸入之間。1kΩ電阻414與0.1μF電容被並聯電連接於節點410與類比接地416之間。運算放大器404的輸出也電連接至反相的高增益電壓輸出210。
圖5例示圖2的高增益反相器212的例示實施例，其將來自高增益跨阻抗放大器206的反相高增益電壓輸出210反相(即，乘以-1)。高增益反相器212包含10kΩ電阻502，電連接於該反相高增益電壓輸出210與節點504之間。10kΩ電阻506被電連接於節點504與運算放大器508的輸出之間。節點504也電連接至運算放大器508的反相輸入。運算放大器508的非反相輸入係電連接至類比地端510。運算放大器508的輸出也電連接至高增益電壓輸出214。
圖6例示圖2的電流操縱元件216的例示實施例，其包含10kΩ電阻602電連接於高增益電壓輸出214與運算放大器604的反相輸入之間。15kΩ電阻606及0.1μF電容608並聯電連接於運算放大器604的反相輸入與輸出之間。10kΩ電阻610電連接於+2.5伏電壓源611與節點612之間。5.62kΩ電阻613與0.1μF電容615係並聯電連接於節點612與類比地端617之間。節點612也電連接至運算放大器604的非反相輸入。回授二極體614與控制二極體616被串聯電連接。回授二極體614的陽極在節點618被電連接至控制二極體616的陰極。回授二極體614的陰極被電連接至運算放大器604的反相輸入，控制二極體616的陽極被電耦接至電流控制信號220，及節點 618被電耦接至運算放大器604的輸出。
圖7顯示圖2的低增益跨阻抗放大器222的例示實施例，其包含15kΩ電阻702電連接於運算放大器704的反相輸入之間。運算放大器704的反相輸入也電耦接至調整收集器電流部份204b。運算放大器704的輸出電耦接至反相低增益電壓輸出224及非反相輸入則電耦接至電流控制信號220。
圖8例示圖2的低增益反相器226的例示實施例，其包含10kΩ電阻802電連接於反相低增益電壓輸出224與節點804之間。10kΩ電阻806係電連接於節點804與運算放大器808的輸出之間。運算放大器808的輸出也電連接至低增益電壓輸出228。10kΩ電阻810也電連接於運算放大器808的非反相輸入與電流控制信號220之間。10kΩ電阻812被電連接於運算放大器808的非反相輸入與類比地端814之間。
圖9例示圖2的低電流二極體208的例示實施例，其包含第一低電流二極體902，其陽極電連接至調整收集器電流部份204b及其陰極連接至輸出的調整收集器電流部份204b。低電流二極體904的陽極係電連接至輸出的調整收集器電流部份204b及低電流二極體904的陰極係連接至類比地端906。低電流二極體902在此也稱為“操縱二極體”，及低電流二極體904在此也被稱為“洩流二極體”。
再次參考圖2，高增益跨阻抗放大器206係被 特徵在於“高增益飽和電流”，其在此被定義為用以供高增益跨阻抗放大器的輸入至輸出關係仍保持線性(或在一些實施例中，高增益跨阻抗放大器206的輸入至輸出關係開始變成非線性)的電流最大量。類似地，低增益跨阻抗放大器特徵在於“低增益飽和電流”。低增益飽和電流係大於高增益飽和電流。
當收集器電流204範圍由0安到高增益飽和電流時，電流操縱元件216使得所有收集器電流204流至高增益跨阻抗放大器206。
當收集器電流204增加超出高增益飽和電流時，操縱電路216使得到高增益跨阻抗放大器206的電流204a保持在高增益飽和電流，同時，將超出高增益飽和電流的剩餘收集器電流204操縱至低增益跨阻抗放大器222。
當收集器電流204增加超出低增益飽和電流時，操縱電路216使得至高增益跨阻抗放大器206的電流保持在高增益飽和電流，使得至該低增益跨阻抗放大器222的電流保持在低增益飽和電流，並將超出高增益飽和電流與低增益飽和電流的總和之剩餘收集器電流204操縱至洩流路徑230。
對於於0安與高增益飽和電流間的收集器電流，高增益電壓輸出214隨著到高增益跨阻抗放大器206的電流204a作線性增加。當高增益電壓輸出214對應於電流204a的增加而增加時，運算放大器604的輸出電壓 降低(見圖6)。當運算放大器604的輸出電壓降低時，控制二極體616最後變成順向偏壓，允許電流由運算放大器604的輸出流經控制二極體616。此發生於當至高增益跨阻抗放大器206的電流204a到達高增益飽和電流，及高增益電壓輸出到達對應於高增益飽和電流的臨限電壓。流經控制二極體616的電流影響低增益跨阻抗放大器222的輸入的偏壓，這隨後順偏低電流操縱二極體902，允許電流204b流經操縱二極體902到低增益跨阻抗放大器222。
對於在高增益飽和電流與低增益飽和電流間的收集器電流，低增益電壓輸出228相對於流入低增益跨阻抗放大器222的電流204b而作線性增加。當電流204b到達低增益飽和電流時，低增益電壓輸出228使得洩流二極體904變成順向偏壓，其將超出高增益飽和電流與低增益飽和電流的總和的收集器電流204導通經過洩流二極體904到地端。
雖然在此所述之例示實施例以二極體實施某些回授、控制及/或操縱元件(見，例如圖6及9)，但應了解的是，這些回授、控制及/或操縱元件可以以能夠在寬動態範圍跨阻抗放大器的操縱回授控制路徑中提供適當壓降的其他元件(或元件的組合)以其他實施例加以實施。
雖然圖2的實施例描述兩個跨阻抗放大器(高增益及低增益)，但應了解的是，其他實施例也可以 利用更多的跨阻抗放大器。對於這些實施例，各個所述兩或更多的跨阻抗放大器處置輸入電流的總動態範圍的一部份，及電流操縱電路控制流入至各個該兩或更多跨阻抗放大器的輸入電流部份。通常，操縱電路操作以線性輸入至輸出模式(即非飽和模式)維持各個所述兩或更多跨阻抗放大器。圖15示此一多增益級寬動態範圍放大器的例示實施例。
圖10-12例示以增益級電流相對於收集器電流的來表示例示寬動態範圍跨阻抗放大器的模擬效能，其中，模擬模型係依據所述實施例加以建構。圖10顯示在0安至400奈安範圍內的收集器電流，圖11顯示在0安至150微安範圍內的收集器電流，及圖12顯示在0安至900微安範圍內的收集器電流。
圖10顯示當收集器電流204由0安增加至400奈安時的高增益級電流204a及低增益級電流204b。高增益級電流204a等於收集器電流204，直到收集器電流到達約190奈安為止。低增益級電流204b保持於約0安，直到收集器電流到達約190奈米為止(即，以此例之高增益飽和電流)。如於圖10所示，當收集器電流204增加超出約190奈安時，高增益級電流204a平緩於約195奈安，這防止高增益跨阻抗放大器206進入其飽和模式。同時，當收集器電流204增加超出約190奈安時，低增益級電流204b開始相對於收集器電流204作線性增加。收集器電流的約190奈安的此轉換點展現出所述實施 例的電流操縱電路216將超出190奈安的增量收集器電流由高增益跨阻抗放大器206被導引至低增益跨阻抗放大器222。
圖11顯示當收集器電流204由0安增加至150微安時的高增益級電流204a及低增益級電流204b。在圖11所繪之收集器電流標度(0安至150微安)中，高增益級電流204a幾乎立即平緩。另一方面，低增益級電流204b在收集器電流204的整個範圍都保持線性。
假設有大約100微安的發射電流，收集器電流204的上限被預期為大約2微安。然而，如果發射電流增加至4毫安，而不是預期的100微安，則收集器電流204可以到達80微安。圖11展現低增益級收集器電流204a在收集器電流204多達至少150微安時仍保持線性，提供約收集器電流204所需動態增益的量的80微安上限的大約兩倍。
圖12顯示當收集器電流由0安增加至900微安(即，幾乎1毫安)時，高增益級電流204a與低增益級電流204b。在圖12中所繪之收集器電流範圍呈現大大超出預期最大值的收集器電流。對於圖13所繪之整個收集器電流範圍而言，高增益級電流204a及低增益級電流204b保持平坦。高增益級電流204a幾乎保持固定約230奈安，及低增益級電流204b幾乎保持固定於約153微安，使得高增益跨阻抗放大器206或低增益跨阻抗放大器222均不會進入硬飽和模式(由該硬飽和模式恢復至線性 模式可能用掉不想要的時間量)。
圖13為電腦系統1300的例示內部結構圖，其可以用以實施所述實施例之部份，例如，電壓輸出聚集元件120。電腦系統1300包含系統匯流排1302，其中匯流排為用以資料傳遞於電腦或處理系統的元件間的一組硬體線。系統匯流排1302基本上為一共享導管，其連接電腦系統的不同元件(例如，處理器、碟片儲存器、記憶體、輸入/輸出埠、網路埠等)，其促成在元件間的資訊傳遞。
附著至系統匯流排1302的是I/O裝置介面1304，用以將各種輸入及輸出裝置(例如，鍵盤、滑鼠、顯示器、印表機、喇叭等)連接至電腦系統1300。網路介面1306允許電腦連接至附著至網路的各種其他裝置。記憶體1308提供用於電腦軟體指令碼1310及資料1312的揮發儲存器，指令碼及資料被用以實施一或更多所述實施例。碟片儲存器1314提供用於電腦軟體指令1310及資料1312的非揮發儲存器，指令及資料被用以實施本發明之實施例。中央處理器單元1316也附著至系統匯流排1302並提供用以執行電腦指令。
取樣/ADC元件1318也取樣高益電壓輸出214與低增益電壓輸出228，以產生代表高增益電壓輸出214與低增益電壓輸出228的數位取樣。處理器指令1310可以使得處理器1316例如藉由儲存取樣資訊於記憶體1308或碟片儲存器中，或藉由執行於此所述之收集器電流決定 方程式，操縱取樣資訊。
在一實施例中，處理器指令1310及資料1312為電腦程式產品，其包含非暫態電腦可讀取媒體(例如，可移除儲存媒體，例如DVD-ROM、CD-ROM、磁碟、磁帶等之一或多者)，其為所述實施例提供至少一部份的指令碼。電腦程式產品可以如同本技藝所知藉由任何適當軟體安裝程序加以安裝。在另一實施例中，至少一部份的軟體指令也可以透過纜線通訊及/或無線連接加以下載。
圖14顯示用以放大具有寬動態範圍的電流的例示方法。該例示方法包含1402自一電流源接收電流，例如，來自熱陰極離子真空計的收集器電流。該方法更包含1404使得所接收的電流流入特徵在於第一飽和電流的第一跨阻抗放大器，直到第一電流部份到達第一臨限電流為止。該方法更包含1406，使得該電流的第二部份流至其特徵在於第二飽和電流的第二跨阻抗放大器，直到該第二電流部份到達低於第二飽和電流的第二臨限電流為止，該至第二跨阻抗放大器的電流部份係為來自該電流源的超出該第一臨限電流的電流。該方法更包含1408，使得來自該電流源的第三電流部份流至洩流路徑。該第三電流部份為來自該電流源的超出該第一飽和電流與該第二飽和電流的總和的電流。該方法也包含1410取樣並組合由第一跨阻抗放大器所產生的輸出電壓，及由第二跨阻抗放大器產生的輸出電壓。
雖然本發明已經特別地參考其例示實施例加 以顯示與說明，但可以為熟習於本技藝者所了解，形式與細節上的各種改變可以在不脫離隨附申請專利範圍所涵蓋的本發明範圍下加以完成。

Claims (20)

  1. 一種寬動態範圍跨阻抗放大器，包含：第一跨阻抗放大器，被組態用以接收第一輸入電流並產生為該第一輸入電流的函數的第一電壓，該第一跨阻抗放大器之特徵在於第一飽和電流，該第一跨阻抗放大器在該第一飽和電流處停止產生為該第一輸入電流的線性函數的該第一電壓，及該第一跨阻抗放大器具有第一增益特徵；第二跨阻抗放大器，被組態用以接收第二輸入電流並產生為該第二輸入電流的函數的第二電壓，該第二跨阻抗放大器之特徵在於第二飽和電流，該第二跨阻抗放大器在該第二飽和電流處停止產生為該第二輸入電流的線性函數的該第二電壓，及該第二跨阻抗放大器具有第二增益特徵；及電流操縱元件，被組態用以：使得該第一輸入電流由電流源流至該第一跨阻抗放大器，直到該第一輸入電流到達小於該第一飽和電流的第一臨限電流為止；及當該第一輸入電流到達該第一臨限電流時，使得該第二輸入電流由該電流源流至該第二跨阻抗放大器，直到該第二輸入電流到達小於該第二飽和電流的第二臨限電流為止，該第二輸入電流係為來自該電流源的超出該第一臨限電流的電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之寬動態範圍跨阻抗放大 器，其中該電流操縱元件更進一步被組態用以當至該第二跨阻抗放大器的該第二輸入電流到達該第二臨限電流時，使得來自該電流源的該電流的超出部份流至洩流路徑，其中該電流的該超出部份為來自該電流源的超出該第一臨限電流與該第二臨限電流的總和的電流。
  3. 如申請專利範圍第1項之寬動態範圍跨阻抗放大器，更包含：一或更多額外跨阻抗放大器，其中該電流操縱元件更進一步被組態用以使得該電流的該超出部份的一或更多額外部份流至該一或更多額外跨阻抗放大器的各個後續跨阻抗放大器，直到流至該後續跨阻抗放大器的所述額外電流部份到達對應於該後續跨阻抗放大器的後續臨限電流為止。
  4. 如申請專利範圍第1項之寬動態範圍跨阻抗放大器，更包含電壓輸出聚集元件，被組態用以：取樣該第一電壓與該第二電壓；決定該第一電壓與相關於該第一跨阻抗放大器的回授電阻的第一比率；決定該第二電壓與相關於該第二跨阻抗放大器的回授電阻的第二比率；及將該第一比率與該第二比率相加，以產生該電流源的評估。
  5. 如申請專利範圍第4項之寬動態範圍跨阻抗放大器，更包含：類比至數位轉換器(ADC)，被組態用以數位化該第 一電壓，以產生第一數位化電壓，並用以數位化第二電壓，以產生第二數位化電壓；及處理器系統，被組態用以產生該第一比率與該第二比率，並用以將該第一比率與該二比率相加，以產生該電流源的評估。
  6. 如申請專利範圍第1項之寬動態範圍跨阻抗放大器，其中該電流操縱元件被組態用以當該第一電壓增加超出第一臨限電壓時，藉由使得一控制二極體變成順向偏壓，以根據該第一電壓控制該第一輸入電流與該第二輸入電流。
  7. 如申請專利範圍第6項之寬動態範圍跨阻抗放大器，其中該變成順向偏壓的控制二極體被組態用以使得操縱二極體變成順向偏壓，以將來自該電流源的該第二輸入電流傳輸至該第二跨阻抗放大器。
  8. 如申請專利範圍第7項之寬動態範圍跨阻抗放大器，其中該操縱二極體藉由修改該第二跨阻抗放大器的輸入偏壓而變成順向偏壓。
  9. 如申請專利範圍第1項之寬動態範圍跨阻抗放大器，其中該第一增益特徵大於該第二增益特徵。
  10. 如申請專利範圍第1項之寬動態範圍跨阻抗放大器，其中當至該第一跨阻抗放大器的該第一電流到達該第一臨限電流時，該第二輸入電流開始流動沒有不連續。
  11. 一種放大來自電流源的電流之方法，該電流具有寬動態範圍，該方法包含： 使得該電流流至第一跨阻抗放大器，該第一跨阻抗放大器之特徵在於第一增益特徵與第一飽和電流；當流至該第一跨阻抗放大器的該電流到達小於該第一飽和電流的第一臨限電流時，使得來自該電流源的該電流的一部份流至特徵在於第二增益特徵與第二飽和電流的第二跨阻抗放大器，直到至該第二跨阻抗放大器的電流的該部份到達小於該第二飽和電流的第二臨限電流為止，至該第二跨阻抗放大器的電流的該部份係為來自該電流源的超出該第一臨限電流的電流。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，更包含：當流至該第二跨阻抗放大器的該電流到達該第二臨限電流時，使得來自該電流源的電流的超出部份流至洩流路徑，該超出電流部份係來自該電流源的超出該第一臨限電流與該第二臨限電流的總和的電流。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，更包含：使得該超出電流部份的一或更多額外部份流至一或更多額外跨阻抗放大器的各者，直到流至該一或更多額外跨阻抗放大器的後續跨阻抗放大器的該額外電流部份到達對應於該後續跨阻抗放大器的後續臨限電流為止。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，更包含：取樣來自該第一跨阻抗放大器的第一電壓，該第一電壓係為流至該第一跨阻抗放大器的該電流的函數；取樣來自該第二跨阻抗放大器的第二電壓，該第二電壓係為流至該第二跨阻抗放大器的該電流的函數； 決定該第一電壓與相關於該第一跨阻抗放大器的回授電阻的第一比率；決定該第二電壓與相關於該第二跨阻抗放大器的回授電阻的第二比率；及將該第一比率與該第二比率相加，以產生來自該電流源的該電流的評估。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，更包含：數位化該第一電壓，以產生第一數位化電壓；數位化該第二電壓，以產生第二數位化電壓；及以處理器系統，產生該第一比率、該第二比率、及該第一比率與該第二比率的總和，以產生來自該電流源的該電流的評估。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，更包含：藉由當該第一電壓增加超出第一臨限電壓時，使得控制二極體變成順向偏壓，而根據該第一電壓，控制至該第一跨阻抗放大器的該電流與流至該第二跨阻抗放大器的該電流。
  17. 如申請專利範圍第16項之方法，更包含：由於該控制二極體變成順向偏壓的結果，使得操縱二極體變成順向偏壓，並將來自該電流源的電流傳遞至該第二跨阻抗放大器。
  18. 如申請專利範圍17項之方法，更包含藉由修改該第二跨阻抗放大器的輸入偏壓，而使得該操縱二極體變成順向偏壓。
  19. 一種具有電腦碼指令儲存於其上的非暫態電腦可 讀取媒體，當所述電腦碼指令為處理器所執行時，使得一設備用以：取樣來自第一跨阻抗放大器的第一電壓，該第一電壓係為流至該第一跨阻抗放大器的第一輸入電流的函數；取樣來自第二跨阻抗放大器的第二電壓，該第二電壓係為流至該第二跨阻抗放大器的第二輸入電流的函數；決定該第一電壓與相關於該第一跨阻抗放大器的回授電阻的第一比率；決定該第二電壓與相關於該第二跨阻抗放大器的回授電阻的第二比率；及將該第一比率與該第二比率相加，以產生由該第一輸入電流與該第二輸入電流構成的源電流的評估。
  20. 如申請專利範圍第19項之非暫態電腦可讀取媒體，當所述電腦碼指令為處理器所執行時更進一步使得一設備使用類比至數位轉換器(ADC)數位化該第一電壓，以產生第一數位化電壓及用以數位化該第二電壓，以產生第二數位化電壓。
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