用于累積和測(cè)量緩慢改變的電荷的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種用于累積和測(cè)量緩慢改變的電荷，尤其是由極低頻率的場(chǎng)所感應(yīng) 的電荷的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 已知存在使用電荷積分器（integrator)來(lái)測(cè)量電荷的系統(tǒng)。該類(lèi)型的典型結(jié)構(gòu) 如圖1中所示。該系統(tǒng)包括電容檢測(cè)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(lèi)型的系統(tǒng)中的電荷q的測(cè)量是基于將在檢測(cè)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(cè)量該電容的電荷：
[0003]
[0004] 檢測(cè)器110的電容Cd被連接至具有輸入阻抗的電荷積分器120的輸入級(jí)。該輸入 阻抗具有電容特性，并且主要包括系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)電容Cdy"=化+l)Cf，并且由與之并聯(lián)的輸入 幾何電容Cm輕微地變更。檢測(cè)器電容Cd和電容Cdy"+Cm的該并聯(lián)導(dǎo)致了在部分（section) aq在檢測(cè)器中累積的電荷q被轉(zhuǎn)移至反饋電容Cf。系數(shù)a等于： 陽(yáng)0化]
[0006] 因?yàn)椋o(wú)反饋的）放大器系統(tǒng)的放大系數(shù)非常大（通常K= 103...109)，所W對(duì) 于典型電容值Cf、Ci"、Cd(在一到幾百pF范圍內(nèi)），系數(shù)a接近于一。因此，由檢測(cè)器收集 的電荷幾乎100%被轉(zhuǎn)移至反饋電容。由檢測(cè)器收集的電荷q的量取決于檢測(cè)器的大小、其 類(lèi)型（使用的物質(zhì)，例如氣態(tài)或者固態(tài)半導(dǎo)體），W及累積了生成的電荷的電場(chǎng)的值。為了 最佳地累積該電荷，使用相對(duì)高的電壓為檢測(cè)系統(tǒng)供電。
[0007] 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(lèi)型的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)中，運(yùn)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(guò)使用漏極（漏極）反饋或者光電反饋來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。運(yùn)些反饋類(lèi)型僅 允許控制結(jié)的反向電流的增加，而不能改變其方向。
[000引補(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Cf上的電荷 的累積所造成的）出現(xiàn)在與由JFET晶體管的柵電流確定的方向相反的方向。當(dāng)例如半 導(dǎo)體檢測(cè)器被連接至積分器的輸入級(jí)時(shí)，可能出現(xiàn)運(yùn)樣的情況。運(yùn)樣的系統(tǒng)的示例如圖2 中所示。與上面相同地，每個(gè)運(yùn)樣的對(duì)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(cè)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Id電流 為Cf電容充電。
[0009] 在從PCT申請(qǐng)W02012114291的公開(kāi)中已知的、如圖3所示的、由補(bǔ)償場(chǎng)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Ti的柵電流的類(lèi)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(méi)有降低系統(tǒng)的參數(shù)，而且，其傾向于提升運(yùn)些參數(shù)，尤其是在高電容的系統(tǒng)的情況下。運(yùn) 是由于P-溝道晶體管在信號(hào)放大處理中W對(duì)稱(chēng)方式進(jìn)行參與的事實(shí)。在該系統(tǒng)中，補(bǔ)償通 常沒(méi)有完成（運(yùn)是由于實(shí)際上不可能匹配結(jié)晶體管W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。
[0010] 同樣值得期望的是，改善用于測(cè)量電荷的系統(tǒng)，W使得該系統(tǒng)可W特別適用于累 積和精確地測(cè)量緩慢改變的電荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 運(yùn)里提供了一種用于測(cè)量電荷的系統(tǒng)，包括被連接至電荷積分器的電容檢測(cè)器， 電荷積分器為具有電容反饋的運(yùn)算放大器，其中，電荷積分器的輸入級(jí)包括一對(duì)對(duì)稱(chēng)連接 的補(bǔ)償JFET晶體管，它們的柵極被連接至所述電荷積分器的輸入級(jí)，其中，一對(duì)補(bǔ)償晶體 管中的n-型晶體管的漏極被連接至電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
[001引優(yōu)選地，所述電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)是手動(dòng)控制的電位計(jì)。
[0013] 優(yōu)選地，所述電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)是適于自動(dòng)地設(shè)定所述n-型晶體管的漏極電壓至一 值的系統(tǒng)，其中對(duì)于所述值輸出電壓的恒定分量不變。
[0014] 優(yōu)選地，對(duì)于靜態(tài)電壓，所述n-型晶體管的柵電流低于P-型晶體管的柵電流。 [001引優(yōu)選地，所述n-型晶體管的漏極由電源供電，該電源的電流與所述n-型晶體管的 漏極的電壓電位無(wú)關(guān)。
[0016] 優(yōu)選地，所述的系統(tǒng)還包括被連接至P-型晶體管的漏極的調(diào)節(jié)電源。
[0017] 還提供了一種用于通過(guò)系統(tǒng)測(cè)量電荷的方法，所述系統(tǒng)包括被連接至電荷積分器 的電容檢測(cè)器，電荷積分器為具有電容反饋的運(yùn)算放大器，其中，電荷積分器的輸入級(jí)包括 一對(duì)對(duì)稱(chēng)連接的補(bǔ)償JFET晶體管，它們的柵極被連接至所述電荷積分器的輸入級(jí)，其中， 一對(duì)補(bǔ)償晶體管中的n-型晶體管的漏極被連接至電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其中，所述電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng) 用于將P-型晶體管的柵電流設(shè)定為等于n-型晶體管的柵電流。
[0018] 優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括開(kāi)關(guān)，用于短路連接所述反饋的電容化及被連接至P-型 晶體管的漏極的調(diào)節(jié)電源，其中，設(shè)定所述調(diào)節(jié)電源，W使得當(dāng)閉合所述開(kāi)關(guān)時(shí)，設(shè)定用于 測(cè)量電荷的所述系統(tǒng)的輸出電壓為零。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 將通過(guò)體現(xiàn)在附圖上的示例性的實(shí)施例來(lái)示出本發(fā)明，其中：
[0020] 圖1示出了一種已知的使用電荷積分器測(cè)量電荷的系統(tǒng)；
[0021] 圖2示出了一種已知的半導(dǎo)體檢測(cè)器；
[0022] 圖3示出了一種已知的電荷積分器；
[0023] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的電荷積分器的示例性的實(shí)施例；
[0024] 圖5示出了雪崩效果；
[0025] 圖6示出了電荷積分器在點(diǎn)P2的電位的改變；
[0026] 圖7示出了一種調(diào)節(jié)的電流源。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的用作為用于測(cè)量電荷的系統(tǒng)的元件的電荷積分器的示 例性的實(shí)施例。電荷積分器120的輸入級(jí)（stage) 121包括一對(duì)對(duì)稱(chēng)連接的JFET晶體管Ti、 了2,它們的柵極被連接至電荷積分器的輸入級(jí)。由于使用的晶體管的類(lèi)型（pnp、npn)而對(duì) 稱(chēng)的系統(tǒng)的輸入的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)和供電電壓進(jìn)行對(duì)稱(chēng)的操作，運(yùn)限定了系統(tǒng)的操作點(diǎn)。晶 體管TiW及晶體管T3從電流源I。1進(jìn)行供電，電流源I。1獨(dú)立于點(diǎn)P1的電位。點(diǎn)P1的電壓 的值是為晶體管T3的基極提供恒定電壓（發(fā)射極電壓比該電壓大約高基極-發(fā)射極結(jié)電 壓的恒定值）的結(jié)果，并且可WW如下方式進(jìn)行改變（即，進(jìn)行選擇W適當(dāng)?shù)赜绊懢w管Ti 的柵電流，說(shuō)明書(shū)將進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明）。
[002引假設(shè)在電荷脈沖的情況下，流過(guò)晶體管Ti的電流減小（與此同時(shí)，流過(guò)晶體管T2 的電流增加）。因?yàn)榫w管Ti和T3是由公共電源I。1供電，流過(guò)晶體管T1的電流的降低造 成流過(guò)晶體管T3的電流的（幅度上）等量的增加。晶體管T3可W被認(rèn)定為形成了一個(gè)共 基極放大器。晶體管T4構(gòu)成了晶體管T3的負(fù)載，同時(shí)它本身對(duì)稱(chēng)地構(gòu)成了共基極放大器 0B的一部分，對(duì)其而言，晶體管T3構(gòu)成了有源負(fù)載。在該系統(tǒng)中輸出脈沖的生成原理如圖 6中所示，圖6示出了晶體管T3和T4的集電極特性的交點(diǎn)所造成的點(diǎn)P2的電位的改變，其 中VEE是晶體管T3和T4的發(fā)射極之間的電壓。
[0029] 源1。1構(gòu)成了生成恒定電流的源，其獨(dú)立于晶體管T1的漏極的電位。運(yùn)允許改變 晶體管T3的基極的電位，而不改變流過(guò)該晶體管的電流。晶體管T1也可W被視為恒定電流 源。運(yùn)樣的配置允許在Ti晶體管的漏極操作不同的電壓。反過(guò)來(lái)，晶體管Ti的漏極的電位 的改變?cè)试S控制雪崩效應(yīng)所