Блог О Проблемы точности при измерениях малых токов и высоких сопротивлений

В электротехнике и электронных испытаниях измерение тока является фундаментальным столпом, точность которого напрямую влияет на надежность экспериментальных результатов и успех инженерных разработок. Однако при измерении слабых токов (например, на уровне пикоампер) или устройств с высоким импедансом традиционные методы часто оказываются неэффективными.

Точное измерение тока имеет решающее значение во многих современных технологических областях — от характеризации полупроводниковых приборов до сбора сигналов с биосенсоров, от исследований в области материаловедения до реализации квантовых вычислений. Тем не менее, эти измерения сталкиваются со значительными трудностями, связанными с ограничениями приборов, внешними помехами и характеристиками самих устройств.

Традиционные методы измерения тока, такие как методы на основе шунтирующих резисторов, демонстрируют низкую производительность в цепях с высоким импедансом или при измерении слабых токов. Шунтирующий резистор создает дополнительную нагрузку по напряжению, изменяя исходное состояние цепи и вызывая отклонения в измерениях. Шум окружающей среды, токи утечки и различные помехи еще больше ухудшают результаты.

Шунтирующие амперметры остаются наиболее распространенным типом, часто используемым в цифровых мультиметрах (ЦММ). Эти приборы определяют ток, измеряя входное напряжение, пропорциональное току (Рис. 1). Их работа основана на прецизионном шунтирующем резисторе, где ток создает падение напряжения, указывающее на его величину.

Несмотря на простоту, низкую стоимость и удобство использования, шунтирующие амперметры страдают от относительно высокого входного импеданса. По мере уменьшения измеряемых токов требуются более крупные шунтирующие резисторы для создания измеримых напряжений, что еще больше увеличивает входной импеданс и влияние на цепь. Эти приборы корректно работают только тогда, когда сопротивление шунта значительно ниже сопротивления тестируемого устройства (DUT), а измеряемые токи существенно превышают микроамперные уровни.

Напряжение на клеммах амперметра составляет его «нагрузку по напряжению». Эта нагрузка приводит к значительному снижению тока нагрузки по сравнению с уровнями до измерения, что препятствует точному измерению. Идеальные амперметры не должны влиять на ток в цепи, не должны иметь сопротивления или нагрузки по напряжению.

Шунтирующие амперметры обычно создают нагрузку по напряжению в диапазоне сотен милливольт. Стратегии смягчения включают:

• Выбор шунтирующих резисторов меньшего номинала (уменьшает нагрузку, но снижает чувствительность)
• Реализация компенсационных схем (компенсирует эффекты нагрузки)
• Применение коррекции ошибок (компенсирует путем измерения нагрузки)

Обратные амперметры приближаются к идеальным условиям ближе, чем шунтирующие типы, и должны использоваться для измерений микроампер или когда требуется низкий входной импеданс. Вместо создания напряжения на клеммах, эти приборы создают напряжение в цепи обратной связи операционного усилителя с высоким коэффициентом усиления (Рис. 2).

Входное напряжение равно выходному напряжению, деленному на коэффициент усиления усилителя (обычно 100 000), что снижает нагрузку по напряжению до уровней микровольт. Эта архитектура минимизирует ошибки при измерении малых токов или токов от устройств с низким импедансом. Приборы, такие как электрометры и пикоамперметры Keithley, используют эту технологию.

Измерения низких токов особенно подвержены различным источникам ошибок, которые могут существенно повлиять на точность. Все амперметры генерируют небольшие токи смещения, которые текут даже при разомкнутых входах. Внешние токи утечки создают дополнительные источники ошибок, что делает необходимым правильное экранирование и использование защитных проводников.

Трибоэлектрические эффекты возникают из-за дисбаланса зарядов, вызванного трением между проводниками и изоляторами (Рис. 4). Специальные низкошумящие кабели минимизируют этот эффект за счет графитово-покрытых полиэтиленовых внутренних изоляционных слоев, которые обеспечивают смазку и создают проводящие эквипотенциальные поверхности для выравнивания зарядов.

Механическое напряжение, приложенное к кристаллическим изоляционным материалам, генерирует пьезоэлектрические токи (Рис. 5). Некоторые пластики, содержащие карманы для хранения заряда, проявляют схожее поведение. Стратегии минимизации включают устранение механического напряжения на изоляторах и выбор материалов с минимальными пьезоэлектрическими эффектами и эффектами хранения заряда.

Загрязнители и влага создают токи ошибок через электрохимические эффекты, когда ионные химические вещества образуют слабые «батареи» между проводниками (Рис. 6). Обычные эпоксидные печатные платы могут генерировать токи на уровне наноампер, если они не будут тщательно очищены от травителей, флюсов, масел, солей или других загрязнителей.

Измерения высокого импеданса (>1GΩ) обычно включают приложение постоянного напряжения к неизвестному резистору, измерение результирующего тока последовательным амперметром, а затем расчет сопротивления по закону Ома (R = V/I). Этот подход с приложением напряжения (вместо приложения тока) является предпочтительным методом, поскольку высокие сопротивления часто зависят от приложенного напряжения.

Токи утечки представляют собой типичные источники ошибок при измерениях высокого импеданса, возникающие из-за нежелательных высокоомных путей между измерительными цепями и близлежащими источниками напряжения. Методы снижения включают:

• Реализация надлежащих методов экранирования
• Использование чистых, высококачественных изоляторов
• Минимизация влажности

При измерении материалов с чрезвычайно высоким удельным сопротивлением фоновые токи могут вызывать значительные ошибки измерения. Метод переменной полярности почти полностью устраняет эти эффекты путем приложения положительного напряжения смещения, измерения тока после заданного времени задержки, затем изменения полярности и повторения измерения (Рис. 9). Расчет сопротивления использует взвешенные средние значения последних измерений.

Строгая проверка данных и анализ ошибок обеспечивают надежность измерений. Общие методы проверки включают повторные измерения, сравнение со стандартными значениями и проверки согласованности с физическими законами. Методы анализа ошибок охватывают анализ неопределенностей, анализ чувствительности и моделирование методом Монте-Карло.

Эффективное измерение тока требует количественной оценки метрик производительности приборов, установления моделей ошибок, внедрения тщательной проверки данных и выбора соответствующих архитектур измерения. Будущие разработки в области искусственного интеллекта и автоматизации обещают повысить возможности измерений за счет машинного обучения для идентификации ошибок и автоматизированных систем тестирования.