电子测量与仪器第七章精密直流电流电压和电阻测量技术

第七章精密直流电流、电压和电阻测量技术(精密测量的基础知识)7.1一个电源测量的实例7.2精密直流测量的任务7.3测量的极限理论7.4精密测量的常用仪器7.5精密测量电路设计基础仪器科学与工程系7.1一个电源测量的实例要求：设计一测量系统的前置放大电路，测量电池的输出电压。被测目标：可认为是一电池，输出直流电压范围在±2V，即-2VVa-Vb2V，输出阻抗在107～109Ω。已有器件：理想的A/D，理想的2.5V基准，+3.3V电源。A/D的信号输入范围为0~2.5V，精度为4位半，即±1999.9mV，误差不超过3个字，使用温度范围18~28℃。设计电路并标出运放的型号以及电阻和电容的规格。1.电源的内阻很大2.测量精度要求高：0.3mV(41/2位AD精度核算是15bits)3.电压变换，-2VVa-Vb2VAD：0~2.5V范围内1.由1、2两项，要求放大器的输入偏置电流极小：0.3b90.3mvipA102.电阻R1、R2适当。R1=R2,同一批电阻该选什么样的放大器呢？7.2精密直流测量的任务1、条件：低电平条件下的测量。2、精密测量：要求测量精度非常高。3、被测对象往往是极端情况，是难以测量的对象。测量任务高源内阻测量低源内阻测量电压测量:电容器的介电吸收，电化学实验弱电流测量:电容器的漏电,弱电流半导体,光和离子束高电阻测量:电路板绝缘电阻，绝缘材料电阻率，半导体电阻率，高阻值电阻器电荷测量:电容测量，物体静电测量低电压测量:标准电池，噪声测量低电阻测量:接触电阻，超导体、导电材料电阻率本章主要介绍的是高端仪器！！！7.3测量的极限理论数字多用表（DMM）测量：直流电压1µV直流电流1µA时，OK!电阻值1GΩ测量接近极限理论的低电平信号时，要求仪器具有更高的灵敏度，此时要用到：静电计（Electrometer）皮安表（pAM）纳伏表（nVM）等高端仪器。测量的理论极限：测量灵敏度的理论极限取决于在电路中电阻所产生的噪声，电阻噪声与电阻阻值、带宽和绝对温度乘积的平方根成正比。RNRBT也就是说，在一个1Ω的电阻上产生的1µV的信号能够检测到，但是在1MΩ的电阻上产生的1µV的信号，用同样的仪器就有可能检测不到，因为此时的电阻噪声增大了1000倍。4uKTRBK－波尔兹曼常数K=1.38×10-23J/KT－绝对温度R－电阻值B－工作带宽234641.3810290500104100.18umV如：K－波尔兹曼常数K=1.38×10-23J/KT－绝对温度17℃(256K)R－电阻值500kΩB－工作带宽4MHz被噪声禁止的区域理论极限外的正常测量区域噪声电压1kV1V1mV1µV1nV1pV10310010-310-610-910-12带宽1001031061091012源电阻室温300K，响应时间为0.1~10秒范围内的电压测量理论极限:理论极限的图示：当然，除了测量的理论极限之外，仪器本身的输入偏置电流、输入电阻也会引起误差，影响测量的灵敏度。7.4精密测量的常用仪器1、静电计(Electrometer)原理：静电感应的原理。（静电感应传感器）阻抗变换器量程转换器交流放大相敏检波振动金属片振荡器调零电源显示信号还原静电感应T高输入阻抗被测对象指针式简易静电计►静电计级运算放大器（OPA128）►世界上最灵敏度的静电计：可以测出穿过电路的单个电子的数量。耶鲁大学，RF-SET(射频-单电子晶体管)技术Electrometer-GradeOPERATIONALAMPLIFIER—OPA128Electrometer-GradeCMMR=90dB特点：A、输入电阻非常大，几十或几百TΩ。B、输入偏置电流非常小，几十上百fA。使用场合：A、电流小于10nA.B、电阻大于1GΩ.C、电源内阻较高(≥100MΩ).D、电荷测量.E、接近噪声极限区域的测量。用途：A、电压表—输入电阻非常高，能以非常小的电路负载来测量电压。它能测量500pF电容两端的电压，而不会使该电容明显放电。B、安培表—极低的输入电流和输入端压降，能够检测极低的电流（1fA）。检测光电倍增管和电离室输出的电流，以及半导体、质谱仪中微弱电流。C、欧姆计—恒流法或恒压法测量皆可。恒流法可测高达200GΩ的电阻，恒压法可测高达10PΩ(1016)的电阻。D、库仑计—电流积分和电荷测量，极低的输入端压降（1fA），可测10fC(10-15)的电荷。静电计C法拉第筒被测物体静电计R取样电阻VIx静电计RR0Vx静电计CC0Vx电荷测量：测电压求电荷，Q＝CV电容C高绝缘阻抗防漏电(聚乙烯)电流测量(皮安表)寄生电容→充电时间→电阻R≤1011高压测量：电阻分压式(上图)电容分压式(下图)选用耐高压电阻/电容00RRRX0VV000CCCCCX00VVVAdvantestR8240数字静电计6517A型静电计/高阻系统•电流测量范围1fA-20mA•电压测量范围10µV-200V•电阻测量可达1016Ω•电荷测量范围10fC-2µCKeithleyEST102静电计实例：2、数字多用表(DMM)数字多用表品种繁多，范围很宽。包括从廉价的31/2手持仪表到高精度的系统式数字多用表。满足不同精度的测量需求。单点测量。关注准确度、负载影响等几个基本参数。3、纳伏表(nVM)电压表。测量低源内阻的电压信号的最佳选择。4、皮安表(pAM)安培表。低输入端压降，电流灵敏度较静电计低，价格也相对较低。5、源-测量单元(SMU)同时具有测量和源两种功能，自带电流和电压源。功能：电压测量电流测量电压源电流源特点：类似于静电计，输入阻抗非常高（100TΩ）6、数字源表(SourceMeter)与SMU类似，性能（输入阻抗、弱电流测量能力）比SMU略低。可以测量一组I-V曲线，适合于生产用。7、弱电流前置放大器远端弱电流前置放大器，与SMU或数字源表脱离，更接近被测设备。降低电缆噪声和漏电，提高SNR。8、微欧计欧姆计。适宜低电阻测量，最小测量10μΩ。特点：四线技术：减小测试电缆和连接器带来的误差.偏置补偿：脉冲式测量电流，消除热电动势.干电路测试：限制被测电阻两端的电压（一般20mV），避免击穿触点（面）氧化膜带来误差.以上所介绍的仪器/模块，是精密测量里常用的仪器/模块，它们之间具有相同点，也有区别之处，主要是为了满足不同的层次应用需求。RrVIsIv四线技术噪声电压1kV1V1mV1µV1nV1pV10310010-310-610-910-12带宽1001031061091012源电阻静电计数字多用表纳伏表纳伏表前置放大器101510-3*№*典型的DMM、nVM、nVPreAmp、Electrometer的测量极限7.5精密测量的电路设计基础放大器的基本工作原理1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:17-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:+-AV1V2公共点VoVo=A(V1-V2)►开环增益非常大，104~106►引入反馈，可使输入端电压(V1-V2)差降低至接近零►“虚短、虚断、虚地”1、电压表电路1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:+-AV2V1VoVo=V2(1+RA/RB)RARB输出：Vo=V2(1+RA/RB)测量仪器/放大器对被测量的影响极小：V2的唯一负载为运算放大器的高输入阻抗，唯一从源吸收的电流就是放大器非常低的输入偏置电流。上面的电路可做静电计电压表或纳伏表的前置放大器：对放大器的要求对放大电阻的要求静电计电压表低偏置电流，高输入阻抗多用作阻抗变换得到1:1的电压增益，RA短路，RB开路。纳伏表前置放大器低输入噪声电压放大用，设置RA、RB使得放大器典型增益为103。思考：为何没有在+端加接地电阻？2、安培计电路思考：怎么用普通的万用表测量电流？(串联，注意极性)电流测量的两种基本技术：分流安培计、反馈安培计。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:+-AV2V1VoVo=IINRS(1+RA/RB)RARBIINRS(1)分流放大器RS值尽可能小:(a)小阻值电阻稳定性好。(温度，时间，电压系数)(b)时间常数小，仪器响应时间更短。(A)分流安培计1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:-+AV1IINVoVo=-IINRFRF(2)反馈放大器(a)电路总的灵敏度由反馈电阻RF决定。(b)运算放大器迫使V1≈0.不需象分流放大器一样，输入端需要上升到V+。(c)电路的上升时间由运算放大器决定。(B)反馈安培计用反馈式的放大器可以构成一般的反馈安培计、高速皮安计、对数皮安计。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:+-AV2RFVo(a)输出:Vo=-IINRF(1+RA/RB)(b)电压增益可通过RA、RB调节。RARBIIN(3)电压增益可调的反馈放大器Vo=-IINRF(1+RA/RB)1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:-+AVoIIND1(4)对数皮安计(a)用对数电压电流关系的二极管或三极管代替反馈放大器中的反馈电阻。(b)由于是对数关系，能在几个数量级范围内跟踪电流变化，而无须改变量程。(c)缺点：损失了准确度和分辨率。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:18-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:-+AVoC1R1RFCFIIN(5)高速皮安计(a)反馈皮安表的反应时间受反馈电阻的并联寄生电容限制。(b)改善皮安表反馈时间：方法一：改善或消除寄生的电容。(器件选择，连线)方法二：如左图，使RFCF=R1C1，此时的性能与无寄生电容时的性能相同。总结：A、反馈式放大器具有较好的性能。B、DMM及老式的静电计使用分流的方法，皮安表和静电表电流表多使用反馈式放大器。3、库仑计电路用电容代替反馈电阻，即成为库仑计。电荷放大器也是这个原理。测量电荷的基本方法是将被测电荷传送给已知容量的电容器，测量该已知电容的电压。1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:21-Dec-2005SheetofFile:F:\电子测量技术与仪器课件\MyPPT\AnalogEngineerTest.ddbDrawnBy:-+ARFVoCF反馈式库仑计：测量电荷：Q=CFV4、高阻欧姆计电路高阻值电阻测量可以采用电压源或电流源。有以下几种测量方法：电阻：(1)采用外接电压源测电流SXVRI1234ABCD4321DCBATitleN