وبلاگ در مورد چالش‌های دقیق در اندازه‌گیری‌های امپدانس بالا جریان پایین بررسی شده است

در مهندسی برق و تست الکترونیک، اندازه‌گیری جریان به عنوان یک ستون اساسی عمل می‌کند که دقت آن مستقیماً بر قابلیت اطمینان نتایج تجربی و موفقیت طرح‌های مهندسی تأثیر می‌گذارد. با این حال، هنگام اندازه‌گیری جریان‌های ضعیف (مانند سطوح پیکوآمپر) یا دستگاه‌های با امپدانس بالا، روش‌های سنتی اغلب ناکافی هستند.

اندازه‌گیری دقیق جریان در بسیاری از زمینه‌های فناوری مدرن حیاتی است - از مشخصه‌سازی دستگاه‌های نیمه‌هادی گرفته تا جمع‌آوری سیگنال حسگرهای زیستی، از تحقیقات علوم مواد تا پیاده‌سازی محاسبات کوانتومی. با این حال، این اندازه‌گیری‌ها با چالش‌های قابل توجهی ناشی از محدودیت‌های ابزار، تداخل محیطی و ویژگی‌های دستگاه روبرو هستند.

روش‌های سنتی اندازه‌گیری جریان، مانند رویکردهای مبتنی بر مقاومت شانت، در مدارهای با امپدانس بالا یا اندازه‌گیری جریان ضعیف عملکرد ضعیفی از خود نشان می‌دهند. مقاومت شانت بار ولتاژ اضافی را معرفی می‌کند و وضعیت اصلی مدار را تغییر داده و باعث انحراف اندازه‌گیری می‌شود. نویز محیطی، جریان‌های نشتی و سیگنال‌های تداخل مختلف نتایج را بیشتر به خطر می‌اندازند.

آمپرمترهای نوع شانت رایج‌ترین نوع باقی می‌مانند که اغلب در مولتی‌مترهای دیجیتال (DMM) پیاده‌سازی می‌شوند. این دستگاه‌ها با اندازه‌گیری ولتاژ ورودی متناسب با جریان عبوری، جریان را تعیین می‌کنند (شکل 1). عملکرد آنها بر روی یک مقاومت شانت دقیق متمرکز است که در آن جریان افت ولتاژی را ایجاد می‌کند که بزرگی آن را نشان می‌دهد.

در حالی که سادگی، هزینه کم و سهولت استفاده را ارائه می‌دهند، آمپرمترهای شانت از امپدانس ورودی نسبتاً بالایی رنج می‌برند. با کاهش جریان‌های اندازه‌گیری شده، مقاومت‌های شانت بزرگتر برای تولید ولتاژهای قابل اندازه‌گیری لازم می‌شوند که امپدانس ورودی و تأثیر مدار را بیشتر افزایش می‌دهد. این ابزارها تنها زمانی به درستی کار می‌کنند که مقاومت شانت به طور قابل توجهی کمتر از مقاومت دستگاه تحت آزمایش (DUT) باقی بماند و جریان‌های اندازه‌گیری شده به طور قابل توجهی از سطوح میکروآمپر بیشتر باشند.

ولتاژ ترمینال یک آمپرمتر "بار ولتاژ" آن را تشکیل می‌دهد. این بار باعث می‌شود جریان بار به طور قابل توجهی کمتر از سطوح قبل از اندازه‌گیری شود و از اندازه‌گیری دقیق جلوگیری می‌کند. آمپرمترهای ایده‌آل نه بر جریان مدار تأثیر می‌گذارند و نه مقاومت یا بار ولتاژ را نشان می‌دهند.

آمپرمترهای شانت معمولاً بارهای ولتاژ در محدوده صدها میلی‌ولت تولید می‌کنند. استراتژی‌های کاهش شامل موارد زیر است:

• انتخاب مقاومت‌های شانت با مقدار کمتر (بار را کاهش می‌دهد اما حساسیت را کاهش می‌دهد)
• پیاده‌سازی مدارهای جبران‌کننده (اثرات بار را خنثی می‌کند)
• اعمال تصحیح خطا (از طریق اندازه‌گیری بار جبران می‌کند)

آمپرمترهای فیدبک به شرایط ایده‌آل نزدیک‌تر از انواع شانت هستند و باید برای اندازه‌گیری میکروآمپر یا زمانی که امپدانس ورودی پایین لازم است، استفاده شوند. این ابزارها به جای تولید ولتاژ ترمینال، ولتاژ را در مسیر فیدبک یک تقویت‌کننده عملیاتی با بهره بالا تولید می‌کنند (شکل 2).

ولتاژ ورودی برابر با ولتاژ خروجی تقسیم بر بهره تقویت‌کننده است (معمولاً 100,000)، که بار ولتاژ را به سطوح میکروولت کاهش می‌دهد. این معماری خطاها را هنگام اندازه‌گیری جریان‌های کوچک یا جریان‌های دستگاه‌های با امپدانس پایین به حداقل می‌رساند. ابزارهایی مانند الکترومترها و پیکوآمپرمترهای کیثلی از این فناوری استفاده می‌کنند.

اندازه‌گیری جریان پایین به ویژه در برابر منابع خطای مختلفی که می‌توانند به طور قابل توجهی بر دقت تأثیر بگذارند، آسیب‌پذیر است. همه آمپرمترها جریان‌های آفست کوچکی تولید می‌کنند که حتی با ورودی‌های باز نیز جریان می‌یابند. جریان‌های نشتی خارجی منابع خطای اضافی ایجاد می‌کنند و اتصالات محافظت و شیلدینگ مناسب را ضروری می‌سازند.

اثرات تریبوالکتریک ناشی از عدم تعادل بار ناشی از اصطکاک بین رساناها و عایق‌ها (شکل 4) است. کابل‌های تخصصی با نویز کم این اثر را از طریق لایه‌های عایق داخلی پلی‌اتیلن با پوشش گرافیت که روان‌کاری را فراهم کرده و سطوح هم‌پتانسیل رسانا را برای متعادل کردن بارها ایجاد می‌کنند، به حداقل می‌رسانند.

تنش مکانیکی اعمال شده به مواد عایق کریستالی جریان‌های پیزوالکتریک (شکل 5) تولید می‌کند. برخی از پلاستیک‌های حاوی جیب‌های ذخیره بار رفتار مشابهی از خود نشان می‌دهند. استراتژی‌های کاهش شامل حذف تنش مکانیکی بر روی عایق‌ها و انتخاب موادی با حداقل اثرات پیزوالکتریک و ذخیره بار است.

آلاینده‌ها و رطوبت از طریق اثرات الکتروشیمیایی جریان‌های خطا ایجاد می‌کنند، زمانی که مواد شیمیایی یونی "باتری‌های" ضعیفی بین رساناها تشکیل می‌دهند (شکل 6). بردهای مدار اپوکسی معمولی می‌توانند جریان‌های در سطح نانوآمپر تولید کنند اگر به طور کامل از اچانت‌ها، فلاکس، روغن‌ها، نمک‌ها یا سایر آلاینده‌ها تمیز نشوند.

اندازه‌گیری‌های امپدانس بالا (>1GΩ) معمولاً شامل اعمال ولتاژ ثابت به یک مقاومت ناشناخته، اندازه‌گیری جریان حاصل با یک آمپرمتر سری، و سپس محاسبه مقاومت از طریق قانون اهم (R = V/I) است. این رویکرد اعمال ولتاژ (به جای اعمال جریان) روش ترجیحی است زیرا مقاومت‌های بالا اغلب با ولتاژ اعمال شده تغییر می‌کنند.

جریان‌های نشتی منابع خطای معمول در اندازه‌گیری‌های امپدانس بالا هستند که از مسیرهای مقاومت بالا ناخواسته بین مدارهای اندازه‌گیری و منابع ولتاژ مجاور ناشی می‌شوند. تکنیک‌های کاهش شامل موارد زیر است:

• پیاده‌سازی تکنیک‌های محافظت مناسب
• استفاده از عایق‌های تمیز و با کیفیت بالا
• به حداقل رساندن رطوبت

هنگام اندازه‌گیری مواد با مقاومت بسیار بالا، جریان‌های پس‌زمینه ممکن است خطاهای اندازه‌گیری قابل توجهی ایجاد کنند. روش قطبیت متناوب با اعمال ولتاژ بایاس مثبت، اندازه‌گیری جریان پس از تأخیر از پیش تعیین شده، سپس معکوس کردن قطبیت و تکرار اندازه‌گیری (شکل 9)، تقریباً این اثرات را حذف می‌کند. محاسبات مقاومت از میانگین وزنی اندازه‌گیری‌های اخیر استفاده می‌کنند.

تأیید دقیق داده‌ها و تحلیل خطا، قابلیت اطمینان اندازه‌گیری را تضمین می‌کند. روش‌های رایج تأیید شامل اندازه‌گیری‌های تکراری، مقایسه با مقادیر استاندارد و بررسی سازگاری با قوانین فیزیکی است. تکنیک‌های تحلیل خطا شامل تحلیل عدم قطعیت، تحلیل حساسیت و شبیه‌سازی مونت کارلو است.

اندازه‌گیری مؤثر جریان نیازمند کمی‌سازی معیارهای عملکرد ابزار، ایجاد مدل‌های خطا، پیاده‌سازی تأیید داده‌های جامع و انتخاب معماری‌های اندازه‌گیری مناسب است. تحولات آینده در هوش مصنوعی و اتوماسیون نویدبخش بهبود قابلیت‌های اندازه‌گیری از طریق شناسایی خطای کمکی یادگیری ماشین و سیستم‌های تست خودکار است.