Le blog À PROPOS Les défis de précision des mesures à haute impédance de basse tension sont résolus

En génie électrique et en test électronique,la mesure actuelle est un pilier fondamental dont l'exactitude a une incidence directe sur la fiabilité des résultats expérimentaux et le succès des conceptions techniquesCependant, lors de la mesure de courants faibles (tels que les niveaux de picoampères) ou de dispositifs à haute impédance, les méthodes traditionnelles sont souvent insuffisantes.

La mesure précise du courant s'avère essentielle dans de nombreux domaines technologiques modernes - de la caractérisation des dispositifs à semi-conducteurs à l'acquisition de signaux de biosensors,de la recherche en sciences des matériaux à la mise en œuvre du calcul quantiqueCependant, ces mesures sont confrontées à des défis substantiels découlant des limitations des instruments, des interférences environnementales et des caractéristiques du dispositif.

Les méthodes traditionnelles de mesure du courant, telles que les approches basées sur la résistance de shunt, présentent de mauvaises performances dans les circuits à haute impédance ou les mesures de courant faibles.La résistance de shunt introduit une charge de tension supplémentaireLe bruit environnemental, les courants de fuite et divers signaux d'interférence compromettent davantage les résultats.

Les ampérimètres de type shunt restent la variété la plus courante, souvent utilisée dans les multimètres numériques (DMM).Ces dispositifs déterminent le courant en mesurant la tension d'entrée proportionnelle au débit de courant (figure 1)Leur fonctionnement est centré sur une résistance de shunt de précision où le courant produit une chute de tension qui indique la magnitude.

Bien qu'offrant une simplicité, un faible coût et une facilité d'utilisation, les ampérimètres à shunt souffrent d'une impédance d'entrée relativement élevée.Des résistances de shunt plus grandes deviennent nécessaires pour produire des tensions mesurables, augmentant encore l'impédance d'entrée et l'impact du circuit.Ces instruments ne fonctionnent correctement que lorsque la résistance de shunt reste significativement inférieure à la résistance du dispositif en cours d'essai (DUT) et que les courants mesurés dépassent sensiblement les niveaux de microampères.

La tension terminale d'un ampéromètre constitue sa "charge de tension". Cette charge provoque une baisse significative du courant de charge en dessous des niveaux de pré-mesure, empêchant une mesure précise.Les ampéromètres idéaux n'affecteraient ni le courant du circuit, ni la résistance ou la charge de tension.

Les ampéromètres à shunt produisent généralement des charges de tension dans la gamme des centaines de millivolts.

• Sélection des résistances de shunt de valeur inférieure (réduit la charge mais diminue la sensibilité)
• Mise en œuvre de circuits de compensation (contrer les effets de la charge)
• Application de la correction d'erreur (compensation par mesure de la charge)

Les ampéromètres de rétroaction s'approchent des conditions idéales plus étroitement que les types de shunts et devraient être utilisés pour les mesures en microampères ou lorsque une faible impédance d'entrée s'avère nécessaire.Au lieu de générer une tension terminale, ces instruments produisent une tension dans le chemin de rétroaction d'un amplificateur opérationnel à gain élevé (figure 2).

La tension d'entrée est égale à la tension de sortie divisée par le gain de l'amplificateur (généralement 100 000), ce qui réduit la charge de tension à des niveaux de microvolt.Cette architecture minimise les erreurs lors de la mesure de petits courants ou de courants provenant de dispositifs à faible impédanceDes instruments tels que les électromètres Keithley et les picoamètres utilisent cette technologie.

Les mesures à faible courant s'avèrent particulièrement sensibles à diverses sources d'erreur qui peuvent avoir une incidence significative sur la précision.Les courants de fuite externes créent des sources d'erreur supplémentaires, ce qui rend essentielles des connexions de protection et de blindage adéquates.

Les effets triboélectriques résultent de déséquilibres de charge causés par le frottement entre conducteurs et isolants (figure 4).Les câbles spécialisés à faible bruit minimisent cet effet grâce à des couches d'isolation intérieures en polyéthylène revêtues de graphite qui fournissent de la lubrification et créent des surfaces équipotentielles conductrices pour égaliser les charges..

Les contraintes mécaniques appliquées aux matériaux isolants cristallins génèrent des courants piézoélectriques (figure 5).Les stratégies de minimisation comprennent l'élimination des contraintes mécaniques sur les isolants et la sélection de matériaux avec des effets piézoélectriques et de stockage de charge minimaux.

Les contaminants et l'humidité créent des courants d'erreur par des effets électrochimiques lorsque les produits chimiques ioniques forment de faibles "batteries" entre conducteurs (figure 6).Les circuits imprimés époxy communs peuvent générer des courants au niveau des nanoampères s'ils ne sont pas soigneusement nettoyés des graveurs, flux, huiles, sels ou autres contaminants.

Les mesures d'impédance élevée (> 1 GΩ) impliquent généralement l'application d'une tension constante à une résistance inconnue, la mesure du courant résultant avec un ampéromètre en série,puis calculer la résistance par la loi d'Ohm (R = V/I)Cette approche d'application de tension (plutôt que d'application de courant) représente la méthode préférée car les résistances élevées varient souvent avec la tension appliquée.

Les courants de fuite représentent des sources d'erreur typiques dans les mesures à haute impédance, résultant de chemins indésirables à haute résistance entre les circuits de mesure et les sources de tension voisines.Les techniques de réduction comprennent::

• Mise en œuvre de techniques de protection appropriées
• Utiliser des isolants propres et de qualité
• Réduction de l'humidité

Lors de la mesure de matériaux à résistivité extrêmement élevée, les courants de fond peuvent provoquer des erreurs de mesure importantes.La méthode de polarité alternée élimine presque ces effets en appliquant une tension de biais positif, en mesurant le courant après un retard prédéterminé, puis en inversant la polarité et en répétant la mesure (figure 9).

La vérification rigoureuse des données et l'analyse des erreurs assurent la fiabilité des mesures.et vérification de la cohérence par rapport aux lois physiquesLes techniques d'analyse des erreurs comprennent l'analyse d'incertitude, l'analyse de sensibilité et la simulation de Monte Carlo.

Une mesure efficace du courant nécessite de quantifier les indicateurs de performance des instruments, d'établir des modèles d'erreur, de mettre en œuvre une vérification approfondie des données,et la sélection des architectures de mesure appropriéesLes développements futurs en matière d'intelligence artificielle et d'automatisation promettent d'améliorer les capacités de mesure grâce à l'identification des erreurs assistées par l'apprentissage automatique et aux systèmes de test automatisés.