Методы повышения точности измерений сверхмалых напряжений, токов и сопротивлений

Реальные сигналы, измеряемые измерителями сверхмалых напряжений (нановольтметрами) содержат шумы и паразитные наводки, уровень которых нередко намного превышает уровень полезного (измеряемого сигнала). Частично от них можно избавиться применяя фильтры низких частот, но они ухудшают динамические показатели измерителей и способны лишь ослабить, но не устранить полностью шумы и наводки. Например, практически неустранимой является погрешность от дрейфа нуля прибора и медленных компонент шума и наводок. При удалении измеряемых цепей от измерительных приборов следует отказаться от обычных проводов и перейти к экранированным проводам, например коаксиальным кабелям.

В некоторых своих пикоамперметраъх и нановольтметрах компания Keithley применяет оригинальный способ повышения точности измерений, основанный на использовании реверсивного постоянного тока, т.е. постоянного тока, на который наложены прямоугольные разнополярные импульсы – рис. 1. Напоминаем, что тут DUT – испытуемый прибор (устройство).

Рис. 1. Принцип работы прибора с реверсивным постоянным током

Временную зависимость медленного случайного изменения сигнала можно считать линейной, что соответствует диаграмме работы измерителя, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Временная диаграмма работы измерителя с реверсивным постоянным током

Схема рис. 1 и временная диаграмма работы (рис. 2) показывает, что при первом и втором измерениях составляющая сдвига и линейного дрефа входит в результат измерений, а во время от второго до третьего измерений они вычитаются. Таким образом после трех измерений на зажимах нановольметра имеется точное напряжением V_DUT. Разумеется, это справедливо, если напряжение смещения и линейность дрейфа в интервалах между вычислениями сохраняются. Этот метод используется в нановольтметре 2182A и измерителях сопротивления на его основе

Особенно проблемы совершенствования измерительных схем стоят при измерении малых сопротивлений. Хорошо известная четырехпроводная схема не решает всех проблем, поскольку использует неэкранированные подводящие провода.

При их большой длине они подвержены сильным наводкам. На рис. 3 показан вариант схемы с использованием для подвода тока и снятия с измеряемого сопротивления напряжения коаксиальных кабелей. Они обеспечивают высокую степень экранировки измерительной схемы, что особенно важно при измерении сопротивлений в интегральных микросхемах.

Рис. 3. Четырехпроводная схема измерения сопротивления с применением коаксиальных кабелей

На рис. 4 показана схема измерителя сопротивлений с реверсивным источником постоянного тока и подводом его к тестируемому устройству DUT через экранированный кабель. Однако при этом большая емкость кабеля может приводить у сильному искажению формы сигнала на испытуемом устройстве. Прецизионный повторитель напряжения GUARD (усилитель с единичным усилением) компенсирует емкость кабеля, выравнивая потенциал оплетки кабеля с потенциалом его внутреннего провода в любой момент времени.

Рис. 4. Измерительная схема с реверсивным источником постоянного тока и подвод его к тестируемому устройству DUT через экранированный кабель с компенсацией его емкости

Источник

А. А. Афонский, В. П. Дьяконов, Электронные измерения в нанотехнологиях и в микроэлектронике

Под ред. проф. В. П. Дьяконова, Москва, ДМК пресс, 2011