Методы измерения сверхмалых токов и напряжений

Измерение постоянного тока и напряжения – важнейшая и извечная проблема измерительной техники. Для измерения постоянного тока издавна использовались стрелочные приборы, в основном магнитоэлектрического типа. Они и сейчас выпускаются в больших количествах и находят применение для измерения тока от нескольких мкА до десятков и сотен А с погрешностью в доли-единицы процента. Для увеличения измеряемых токов используются шунты, а для уменьшения те или иные усилители постоянного тока (напряжения), сокращенно называемые УПТ.

Первые УПТ были ламповые, но сейчас они почти не применяются из-за известных недостатков электронных ламп: необходимости глубокого вакуума в иъ колбах и подогревного катода, больших анодных напряжений, высокого температурного и временного дрейфа нуля и т.д. К тому же выпуск ламп малой мощности почти повсеместно прекращен и они повсеместно заменяются транзисторами.

Наименьшим дрейфом нуля обладали усилители типа МДМ – «модуляция-демодуляция». В низ постоянное напряжение или ток периодически прерывалось с помощью модулятора, т.е. преобразовывалось в прямоугольные импульсы – обычно симметричные, называемые меандром. Далее оно усиливалось усилителем переменного тока, принципиально не имеющим дрейфа нуля, и затем с помощью демодулятора (обычно синхронного выпрямителя) превращалось в усиленное постоянное напряжения. Шумы и пульсации его подавлялись инерционным фильтром.

Одним из лучших модуляторов (с позиции усиления малых напряжений) был релейный или вибрационный преобразователь с высококачественными контактными парами, тщательно экранированными от катушки возбуждения. Уже в конце 50-х годов МДМ-усилители с такими модуляторами позволяли надежно усиливать постоянные напряжения с уровнем в доли мкВ. Пожалуй, главный недостаток таких усилителей заключался в большой инерционности – частота модуляции не превышала сотен Гц. Кроме того, недостаточно высокой была и надежность модуляторов.

Одним из направлений в измерении сверхмалых токов стали электрометрические лампы, а также обычные лампы в эдетрометрическом режиме – в нем снижается напряжение накала катода и анодное напряжение, а в качестве входного электрода используется экранирующая сетка. При этом еще в 60-х годах удалось регистрировать токаи порядка 1·10^-14 А. С появлением полевых транзисторов с изолированным каналом электрометрические усилители стали строиться на них.

В дальнейшем получили распространение бесконтактные модуляторы на основе согласованной пары интегральных транзисторов с встречным инверсным включением (это приводило к взаимной компенсации малых остаточных напряжений насыщения транзисторов в инверсном включении – когда эмиттер и коллектор менялись назначением). Эти прерыватели так и назывались – интегральные прерыватели. Хотя дрейф нуля таких прерывателей превышал дрейф нуля вибрационных преобразователей, надежность была очень высокой, а частоты модуляции достигали единиц-десятков кГц. Впрочем, проблема получения широкой полосы усилителей была решена и другим путем – применением обводного канала на основе широкополосного усилителя переменного напряжения.

В наши дни построение таких усилителей потеряло актуальность в связи с разработкой интегральных УПТ –операционных усилителей на основе дифференциальных каскадов с интегральными транзисторами, имеющими практически идентичные характеристики в силу их очень близкого друг от друга расположения, практически идентичных характеристик и одинаковой температуры в месте расположения. Даже первые типы таких усилителей прекрасно справлялись с усилением постоянного напряжения с уровнями в доли-единицы мВ. Затем появились измерительные интегральные УПТ, в том числе и со структурой МДМ, которые позволили усиливать напряжения постоянного тока с нановольтовым уровнем. На их основе построены многочисленные измерители малых постоянных напряжений со стрелочными и цифровыми индикаторами.

В тоже время актуальной остается проблема построения измерителей сверхмалых токов, часто именуемых электрометрами. Поразительно, но измерение токов порядка пА было уверенно освоено на основе применения гальванометров (правда очень сложных по конструкции, не допускающих даже слабой тряски и критичных в наладке) и МДМ усилителей первых поколений. Однако переход к измерению фА привел к отказу от этих устройств. Были весьма успешные попытки построить измерители сверхмалых токов на специальных и обычных электронных лампах, а несколько позже фактически на их твердотельных аналогах – МДП-транзисторах с изолированным затвором. Ныне есть ряд типов измерительных операционных усилителей, которые вполне позволяют усиливать токи в единицы и доли фА.

Для измерения малых напряжений широкое применении нащли компенсационные схемы на интегральных операционных усилителях с глубокой последовательной обратной связью – рис. 1. В первой схеме (рис. 1,а) обеспечен выход напряжения, а вот второй (рис. 1,б) выход тока.

Рис. 1. Компенсационные схемы с последовательной отрицательной обратной связью измерения малых напряжений с выходом по напряжению (а) и по току (б)

В обеих схемах в первом приближении, когда усилитель считается идеальным с бесконечным коэффициентом усиления, ΔU_x=0 и компенсация соответствует равенству напряжения на компенсационном резисторе R_к входному напряжению u_x. Для схемы рис. 1,а это соответствует U_вых=Rд·u_x/R_к, а в схеме рис. 1,б, I I_вых=u_x/R_к.

Одним из наиболее часто применяемых методов измерения сверхмалых токов является применение 100% отрицательной обратной связи (рис. 2). В этих схемах измеряемый ток I_x компенсируется током резистора R₀. При идеальном операционном усилителе обеспечивается нулевое входное сопротивление (на самом деле оно равно R₀/(K+1) и стремится к нулю при K→∞). Выходное напряжение этой схемы равно I*R, т.е. схема является почти идеальным преобразователем входного тока в выходное напряжение УПТ.

Рис. 2. Схемы с параллельной отрицательной обратной связью для преобразования малых токов в токи микроамперметра (а) и в постоянное напряжение (б)

Схемы рис. 2 (особенно рис. 2,б) в том или ином варианте используется в большинстве электронных измерителей малых токов, в частности в микроамперметрах, наноамперметрах и пикоамперметрах. Однако им присущ серьезный недостаток – погрешность из-за напряжения смещения нуля УПТ и конечных входных токов УПТ (точнее их разности). Впрочем, он легко устраняется введением компенсирующего это напряжение регулируемого источника напряжения. Он подключается между землей и неинвертирующим входом операционного усилителя. Таким образом, строятся измерители сверхмалых токов компании Kethley, называемые ею амметрами.

Источник
А. А. Афонский, В. П. Дьяконов, Электронные измерения в нанотехнологиях и в микроэлектронике
Под ред. проф. В. П. Дьяконова, Москва, ДМК пресс, 2011