Elektrotechnik

Ladungsempfindlicher Verstärker - Elektronische Schaltung mit hoher Empfindlichkeit und Bandbreite

Ref.-Nr. 5488

Keywords: Ladungsempfindlicher Verstärker, Ladungsmessung, Spannungsmessung, Testsystem und Messtechnik

Der ladungsempfindliche Verstärker ist eine elektronische Schaltung zur Verstärkung kleinster Spannungen und ist für die üblichen Anwendungen eines Elektrometers geeignet. Damit sind Spannungs- und Ladungsmessungen an Spannungsquellen mit hoher Impedanz möglich. Aufgrund der höheren Empfindlichkeit und der sehr hohen Bandbreite der Schaltung sind zusätzliche Anwendungen möglich, bei denen die Leistungsfähigkeit der bisherigen Messgeräte nicht ausreichend ist.

Zwei Sperrschicht-Feldeffekt-Transistoren (JFETs) bilden eine differentielle Common-Source-Eingangsstufe, deren Ausgänge über einen Emitterfolger zu einem Operationsverstärker führen. Im Unterschied zu konventionellen Schaltungen erfolgt keine Gegenkopplung auf den Eingang über einen hochohmigen Widerstand. Der Leckstrom des Sperrschicht-FET am Eingang wird durch den Leckstrom eines äquivalenten FET mit gleicher Temperaturabhängigkeit kompensiert. Daraus resultiert eine extrem hohe Eingangsimpedanz. Die Leckstromkompensation ist mit einer „Bootstrapschaltung“ kombiniert, die eine hohe Bandbreite gewährleistet.

Der als Prototyp verfügbare ladungsempfindliche Verstärker, kann auch als Spannungsverstärker mit einer Eingangskapazität von ca. 5 pF und einer extrem hohen Impedanz betrieben werden. Die Schaltung bietet eine hohe Empfindlichkeit bei einer ausreichenden Zeit- bzw.- Driftstabilität, um Messungen im Bereich von fC über eine Zeit von einer Sekunde durchzuführen. Die Bandbreite beträgt über 1 Mhz. Vergleichbare Ladungsverstärker mit ähnlicher Empfindlichkeit sind nur für kurze Pulse vorgesehen und daher nicht für quasistatische Messungen geeignet. Andererseits gibt es Elektrometer, die aber nur eine sehr geringe Bandbreite haben. Diese Schaltung schließt diese messtechnische Lücke. Die Eingangsschaltung mit der Kombination von Sperrschicht-FETs ist ohne weitere Bauelemente intrinsisch gegen elektrostatische Aufladung geschützt.

Vorteile

  • Sehr hohe Bandbreite
  • Hohe Empfindlichkeit
  • Einfacher Schaltungsaufbau
  • Günstige Herstellungskosten

Kommerzielle Anwendung

Die Empfindlichkeit und Bandbreite gegenüber konventionellen Verstärkerschaltungen ist ca. um den Faktor 50 höher und benötigt im Gegensatz zu anderen Technologie-ansätzen keine Kühlung. Im Bereich der Messtechnik sind so Messaufgaben in den Anwendungsfeldern der Physik, Chemie, Biologie und der Medizin einfach und kostengünstig realisierbar.

Aktueller Stand

Die Hochschule ist Inhaberin einer Patentanmeldung in Deutschland. Internationale Anmeldungen sind möglich. Im Namen der Universität Duisburg-Essen bieten wir interessierten Unternehmen die Möglichkeit zu Lizensierung und zur Weiterentwicklung der Technologie.

Eine Erfindung der Uni Duisburg-Essen.

Dipl.-Ing. Martin van Ackeren

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