Blog UM Präzisionsherausforderungen bei Niedrigstrom-Hochimpedanzmessungen adressiert

In der Elektrotechnik und im elektronischen TestsektorDie aktuelle Messung dient als Grundpfeiler, dessen Genauigkeit die Zuverlässigkeit der Versuchsergebnisse und den Erfolg von Konstruktionsentwürfen direkt beeinflusst.Bei der Messung von schwachen Strömen (z. B. Picoampere) oder Hochimpedanzgeräten scheitern jedoch herkömmliche Methoden häufig.

Eine genaue Strommessung erweist sich in zahlreichen modernen technologischen Bereichen als entscheidend - von der Charakterisierung von Halbleitergeräten bis hin zur Erfassung von Biosensorsignalen,von der Materialwissenschaftsforschung bis zur Umsetzung von QuantenrechnungenDiese Messungen sind jedoch mit erheblichen Herausforderungen konfrontiert, die sich aus den Einschränkungen der Geräte, den Umwelteinflüssen und den Eigenschaften der Geräte ergeben.

Traditionelle Strommessverfahren, wie z. B. Shunt-Widerstands-basierte Ansätze, zeigen in Hochimpedanz-Schaltungen oder bei schwachen Strommessungen eine schlechte Leistung.Der Shuntwiderstand führt zusätzliche Spannungsbelastung ein, die den ursprünglichen Zustand der Schaltung verändern und Messunterschiede verursachen.

Shunt-Ammeter sind nach wie vor die häufigste Variante, die häufig in digitalen Multimetern (DMM) eingesetzt wird.Diese Geräte bestimmen den Strom, indem sie die Eingangsspannung proportional zum Stromfluss messen (Abbildung 1)Sie arbeiten mit einem präzisen Shuntwiderstand, bei dem der Strom einen Spannungsabfall erzeugt, der die Größe anzeigt.

Während Shunt-Ammeter Einfachheit, geringe Kosten und Benutzerfreundlichkeit bieten, leiden sie unter einer relativ hohen Eingangsimpedanz.größere Shuntwiderstände werden notwendig, um messbare Spannungen zu erzeugen, die Eingangsimpedanz und den Schaltkreislaufwirkung weiter erhöhen.Diese Geräte funktionieren nur dann ordnungsgemäß, wenn der Shuntwiderstand signifikant unter dem Gerät-unter-Test-Widerstand (DUT) bleibt und die gemessenen Ströme die Mikroampere deutlich übersteigen.

Die Endspannung eines Ampermeters bildet seine "Spannungsbelastung". Diese Belastung bewirkt, dass der Laststrom deutlich unter die Vormesswerte fällt und eine genaue Messung verhindert wird.Ideale Ammeter würden weder den Stromkreislauf beeinflussen noch Widerstand oder Spannungslast aufweisen.

Shunt-Ammeter erzeugen typischerweise Spannungsbelastungen im Bereich von Hunderten von Millivolt.

• Auswahl von Shuntwiderständen mit niedrigerem Wert (verringert die Belastung, verringert aber die Empfindlichkeit)
• Ausführung von Kompensationskreisläufen (Belastungseffekte)
• Fehlerkorrektur (kompensiert durch Belastungsmessung)

Rückkopplungsampere nähern sich idealen Bedingungen näher als Shunt-Typen und sollten für Mikroampere-Messungen oder wenn eine geringe Eingangsimpedanz erforderlich ist, verwendet werden.Statt Endspannung zu erzeugen, diese Geräte erzeugen Spannung im Rückkopplungsweg eines Betriebsverstärkers mit hohem Gewinn (Abbildung 2).

Die Eingangsspannung entspricht der Ausgangsspannung geteilt durch den Verstärkergewinn (typischerweise 100.000), wodurch die Spannungsbelastung auf Mikrovoltniveaus reduziert wird.Diese Architektur minimiert Fehler bei der Messung kleiner Ströme oder Ströme von Geräten mit geringer ImpedanzInstrumente wie Keithley-Elektrometer und Picoammeter nutzen diese Technologie.

Niedrigstrommessungen sind besonders anfällig für verschiedene Fehlerquellen, die die Genauigkeit erheblich beeinträchtigen können.Externe Leckströme erzeugen zusätzliche Fehlerquellen, so daß eine angemessene Absicherung und Abschirmung unerlässlich ist.

Die triboelektrischen Effekte entstehen durch Ladungsungleichgewichte, die durch Reibung zwischen Leitern und Isolatoren verursacht werden (Abbildung 4).Spezielle Geräuscharme Kabel minimieren diesen Effekt durch mit Graphit beschichtete Polyethylen-Insulationsschichten, die Schmierung bieten und leitfähige equipotenzielle Oberflächen schaffen, um die Ladungen auszugleichen.

Die mechanische Belastung kristalliner Isolierstoffe erzeugt piezoelektrische Ströme (Abbildung 5). Einige Kunststoffe mit Ladungsspeichertaschen weisen ein ähnliches Verhalten auf.Minimierungsstrategien umfassen die Beseitigung der mechanischen Belastung der Isolatoren und die Auswahl von Materialien mit minimalen piezoelektrischen und Ladungsspeicherungseffekten.

Schadstoffe und Feuchtigkeit erzeugen durch elektrochemische Effekte Fehlerströme, wenn ionische Chemikalien schwache "Batterien" zwischen Leitern bilden (Abbildung 6).Epoxy-Leiterplatten können Strom auf Nanoamperebene erzeugen, wenn sie nicht gründlich von Ätzstoffen gereinigt werden, Fluss, Öle, Salze oder andere Verunreinigungen.

Bei hohen Impedanzmessungen (> 1 GΩ) wird in der Regel eine konstante Spannung auf einen unbekannten Widerstand angewendet, der resultierende Strom mit einem Serien-Ampermeter gemessen,Dann berechnet man den Widerstand nach dem Ohm-Gesetz (R = V/I)Dieser Ansatz der Spannungsanwendung (statt der Stromanwendung) stellt die bevorzugte Methode dar, da hohe Widerstände häufig mit der angebrachten Spannung variieren.

Leckströme sind typische Fehlerquellen bei Hochimpedanzmessungen, die sich aus unerwünschten Hochwiderstandswegen zwischen Messkreisen und nahegelegenen Spannungsquellen ergeben.Zu den Verminderungstechniken gehören:

• Einführung angemessener Schutztechniken
• Die Verwendung sauberer, hochwertiger Isolatoren
• Luftfeuchtigkeit minimieren

Bei der Messung von Materialien mit extrem hoher Widerstandsfähigkeit können Hintergrundströme erhebliche Messfehler verursachen.Die Wechselpolaritätsmethode eliminiert diese Effekte durch positive Bias-Spannung, wobei der Strom nach einer vorgegebenen Verzögerung gemessen, die Polarität umgekehrt und die Messung wiederholt wird (Abbildung 9).

Eine sorgfältige Datenüberprüfung und Fehleranalyse sorgen für die Zuverlässigkeit der Messungen.und Konsistenzprüfungen nach physikalischen GesetzenDie Fehleranalysetechniken umfassen die Unsicherheitsanalyse, die Empfindlichkeitsanalyse und die Monte-Carlo-Simulation.

Eine wirksame Strommessung erfordert die Quantifizierung von Messwerten für die Leistung der Geräte, die Erstellung von Fehlermodellen, die Durchführung einer gründlichen Datenüberprüfung,und Auswahl geeigneter MessarchitekturenDie künftigen Entwicklungen in den Bereichen künstliche Intelligenz und Automatisierung versprechen, die Messfähigkeit durch maschinelles Lernen bei der Fehlererkennung und automatisierte Testsysteme zu verbessern.