[发明专利]电流检测装置以及使用电流检测装置的谱仪

说明书

公开了用于检测来自传感器(490)的电流(405)的装置(400)。该装置包括：积分电路(435)，其包括用于提供增益设置的电容器网络(430)，并且被配置为在积分时间长度跨度上将电流转换为电压斜坡，该积分电路还包括复位开关(420)，该复位开关(420)被配置为连接电容器网络的输入和输出；ADC(440)，其被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本；以及模块集(480)，其包括：分析模块(482)，其被配置为分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；输出模块(488)，其被配置为基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流的大小；以及再配置模块(484)，其被配置为对电容器网络进行再配置，并且经由复位开关来对电压斜坡进行复位。

技术领域

本发明一般涉及高速低噪声电流检测装置以及使用该装置的诸如质谱仪和光谱仪等的谱仪。

背景技术

谱仪是用于分离和测量物理现象的谱成分的科学仪器。谱仪可以包括用于对谱成分以某种方式被混合的现象的连续变量进行测量的传感器，其中。例如，在光学领域，谱仪(光谱仪)可以按诸如被称为谱的颜色、频率和波长等来分离和测量各个窄光带，而质谱仪测量气体中所存在的原子或分子的质谱。谱仪是在物理学、天文学和化学的早期研究中开发的，但是被应用于例如不仅在定性分析方面而且在定量分析方面的工业应用。谱仪中所采用的某些类型的传感器输出与要测量的对象的强度和/或数量相对应的电流，在这种谱仪中需要用于检测来自传感器的电流的装置以测量、确定或解释传感器的输出。

在谱仪的设计和实现中遇到的一个挑战性问题在于检测装置或电路如何能够准确且有效率地检测电流，其中电流可能在大的动态范围内变化。根据样品的量和特定种类的样品的相对浓度或强度，例如在小型化、便携式或电池驱动型谱仪中，电流可以高达100毫微安培(nA)或10^-7A，并且低至10毫微微安培(fA)或10^-14A。即，电流的动态范围可以高达七个数量级，如果不是则高达更多个数量级。因此，检测装置需要能够检测这个大的动态范围内的电流，这容易导致严格的设计要求。除此之外，检测fA范围内的微小电流导致了其它严格的设计要求。电子电路在其被设计为提供服务的系统中受到各种噪声源的影响。然而，使用具有非常高的开环增益的运算放大器的检测电路通常会具有较高的噪声和较长的从饱和恢复的时间。

因此，仍然需要一种装置和方法来克服上述问题和缺点、并能够提供高速和低噪声的检测装置和方法。

发明内容

本发明的一个方面是用于检测来自传感器的电流的装置。该装置包括积分电路，该积分电路包括用于提供增益设置的电容器网络并且被配置为在积分时间长度跨度上将电流转换为电压斜坡。积分电路还包括复位开关，该复位开关被配置为在复位开关接通的情况下连接电容器网络的输入和输出。所述装置还包括模数转换器(ADC)和模块集，其中ADC被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本。模块集包括：分析模块，其被配置为分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；输出模块，其被配置为基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流的大小；以及再配置模块，其被配置为对电容器网络进行再配置，并经由复位开关来对电压斜坡进行复位。

模块集还可以包括判断模块，该判断模块被配置为基于电压斜坡来判断超出范围(OOR)状态。再配置模块可以根据OOR状态来对电容器网络进行再配置。判断模块可以基于电压斜坡和预定可检测范围来预测OOR状态。模块集还可以包括用以根据OOR状态来调节积分时间长度的调节模块。再配置模块可以对电容器网络进行再配置以调节积分时间长度，从而提高检测速度或检测准确度。

分析模块可以包括被配置为基于多个电压样本来确定一阶拟合线的模块、以及被配置为将一阶拟合线的斜率指定为电压斜坡的斜率的模块。

积分电路可以包括输入开关，该输入开关被配置为接通和关断去往电容器网络的电流。模块集可以包括开关控制模块，该开关控制模块被配置为控制输入开关，以在电流被转换为电压斜坡时通过电流、并在复位开关接通以对电压斜坡进行复位时阻断电流。