Вимірювання малих струмів НТУУ КПІ АЕД Класифікація

Вимірювання малих струмів НТУУ “КПІ” АЕД

Класифікація методів вимірювання струму Оптоволоконний давач (FOCS) Кілоампери Ампери Мілі- та мікроампери - Давач Холла та Вимірювальний магніторезиситвний трансформатор давач струму Падіння напруги на шунті Схеми зі зворотнім зв'язком Перетворення струму в частоту Електростанції та підстанції Хімічна промисловість Прискорювачі заряджених частинок - Промислові об’єкти Інвертори напруги Облік споживання електроенергії кінцевих споживачів Захист від КЗ - Контроль технологічних процесів - Пристрої захисного відключення - Від нано- … до фемптоампер Вимірювання параметрів електронних компонентів та інтегральних мікросхем - Дослідження в нанотехнології Виробництво напівпровідникових матеріалів Ядерні дослідження - - Вимірювання опору ізоляції - Контроль біохімічних процесів НТУУ “КПІ” АЕД

Застосування вимірювань малих струмів Дослідження напівпровідникових матеріалів та інтегральних мікросхем Біохімічний аналіз та визначення ДНК послідовностей Дослідження нанотрубок Ядерні дослідження НТУУ “КПІ” АЕД

Дослідження малих струмів Сфера застосування вимірювачів малих струмів Рівні генерованих струмів Швидкість протікання процесів Параметри інтегральних мікросхем від 10 -8 до 10 -1 А до 10 ГГц і вище Властивості напівпровідникових матеріалів від 10 -10 до 10 -3 А до 10 ГГц і вище Вирощування нанотрубок від 10 -11 до 10 -5 А до 100 Гц Скануюча тунельна мікроскопія від 10 -12 до 10 -9 А до 50 Гц Струми втрат у конденсаторах та котушках індуктивності від 10 -12 до 10 -7 А до 1 ГГц Властивості ізоляторів від 10 -13 до 10 -6 А від 0, 1 Гц до 1, 5 к. Гц від 10 -13 до 10 -9 А до 10 к. Гц і вище від 10 -15 до 10 -6 А до 1 МГц Біохімічний аналіз, послідовностей визначення Іонізаційні камери, плазмові датчики ДНК НТУУ “КПІ” АЕД

Методи вимірювання малих струмів 1. Падіння напруги на шунті Характеристики: - висока чутливість до 10 -15 А, - необхідність зміни опору шунта для перемикання діапазону, - значний вплив опору шунта при вимірюванні малих струмів. 2. Використання схеми зі зворотнім зв’язком Характеристики: - висока чутливість до 10 -16 А - висока швидкодія до 10 -5 с, - відсутність падіння напруги живлення 3. Накопичення(інтегрування) заряду на конденсаторі Характеристики: - висока чутливість 10 -17 А, - низька швидкодія 10 -1 ~ 10 2 c. НТУУ “КПІ” АЕД

Перетворення струму в напругу i – струм джерела; g – вихідна провідність; gи – провідність ізоляції; G 0 – зразкова провідність; gвх – вхідна провідність; iд – дрейф по струму; eд – дрейф по напрузі; Струм джерела i перетворюється в напругу u 0. Падіння напруги u 0 спотворює режим схеми випробування. Результат вимірювання залежить від значення та стабільності зразкової провідності G 0, коефіцієнта підсилення К , дрейфу підсилювача по струму та напрузі. , Струмові втрати iy не повинні перевищувати похибку вимірювання δ. Тому ставляться вимоги до опору ізоляції вхідних елементів системи вимірювання. НТУУ “КПІ” АЕД

Вимірювання малих струмів за допомогою ОП із паралельним зворотнім зв'язком Vcc R DUT Вплив дрейфу підсилювача при К >> 1 визначається Iin + Vout ADC Вимірювання струму на базі схеми із зворотнім зв’язком gʹі 1 – сума паразитних провідностей g, gи та gвх. НТУУ “КПІ” АЕД

Вимірювання малих струмів за допомогою шунта Для вимірювання малих струмів необхідно збільшувати опір шунта та чутливість електрометра. Але, на заваді цьому стоять кілька негативних чинників: • резистори з малим опором мають кращу часову і температурну стабільність і кращий коефіцієнт; • низькі значення резистора зменшують постійну часу вхідного і покращують інструментальний час відгуку; • вхідний опір RSHUNT амперметра повинен бути невеликим, щоб зменшити падіння напруги EIN. • використання електрометра на його найбільш чутливому діапазоні вносить шум і дрейф нуля в вимірювання. НТУУ “КПІ” АЕД

Перетворення струму в інтервал часу Tи – тривалість тактового інтервалу; i 0 та g 0 – параметри джерела струму компенсації; uпор – порогова напруга компаратора рівня. Еквівалентна схема інтегруючої частини вимірювача з двотактним перетворенням. А. В кінці першого такту напруга на виході підсилювача де В лінійному наближенні отримаємо Б. В другому такті, коли інтегрується зразковий струм, напруга В лінійному наближенні отримаємо НТУУ “КПІ” АЕД

Перетворення струму в частоту імпульсів Нехай вхідний сигнал і та струмова складова дрейфу ід відсутні, а значення ед достатнє для спрацювання порогового пристрою При цьому в ланці зворотного зв’язку з’являються імпульси струму i 0 t 0, що заряджають інтегруючий конденсатор та компенсують вплив дрейфу. . Схема вимірювача, що працює за принципом інтегрування та імпульсного зворотного зв'язку , Імпульси будуть поступати на конденсатор до компенсації напругою u 0 впливу дрейфу по напрузі. При цьому конденсатор зарядиться до Якщо сумарна провідність gi 3 відмінна від нуля, то виникає струм розряду інтегруючого конденсатору, напруга падає і через певний час на виході з’являється імпульс зворотного зв’язку. НТУУ “КПІ” АЕД

Вимірювання струму перетворенням в частоту імпульсів PWM CMP FET Gate MCU Vout DAC Vref + - 5 V Flip-Flop D Q sample 0 sample 1 … A PWM RAM INT Power. Profiling Prototype Board OR B Y R Counter FET L Capture unit R sample. N Sampling timer C Об’єкт дослідження НТУУ “КПІ” АЕД DUT

Вимірювання малих струмів за допомогою коливного контуру Характеристики: - високий вхідний опір 1016 Ом, - . висока чутливість 10 ф. А, низька швидкодія. Нехай опір ізоляції 1014 Ом, середня ємність варікапа 50 п. Ф, а поріг чутливості за напругою 50 мк. В. Тоді стала часу t = 1014 · 50 · 10 -12 = 5 · 103 c. А чутливість за струмом I = CU/t = 50· 10 -12· 50· 10 -6 · 1/5· 10 -3 = 5· 10 -19 А тобто 3 електрони за секунду. Схема електрометра з корекцією похибки інвертування вхідного сигналу (метод перетворення напруги в частоту за допомогою коливного контуру з варікапом) НТУУ “КПІ” АЕД

Джерела похибок вимірювання малих струмів Похибки в пристроях вимірювання струму виникають від побічних струмів, що протікають через різні елементи схеми: ISE – шумовий струм джерела живлення, ICE – шумовий струм з’єднань, IIE – струмова похибка вимірювача. Ці струми можуть бути зумовлені різними ефектами: - трибоелектричним(тертя), - п’єзоелектричним, - електрохімічним, - резистивним витоком струму, - діелектричною абсорбцією, - температурний шум. НТУУ “КПІ” АЕД

Характеристики вимірювачів малих струмів Вимірювач Діапазони вимірювання Макс. чутливість Смуга частот/ Швидкодія Похибка для найнижчого діапазону Цифровий мультиметр Fluke 289 від 500 мк. А до 10 А 0, 01 мк. А до 100 к. Гц(RMS) ±(0, 15%+2) DC ±(0, 7%+2) AC Еталонний мультиметр Fluke 8508 А від 200 мк. А до 20 А 10 п. А DC 100 п. А AC до 100 к. Гц(RMS) ± 12 ppm DC ± 200 ppm AC Пікоамперметр HP/Agilent 4140 B від 1 п. А до 10 м. А 1 ф. А від 20 мс до 2, 6 с (час встановлення) ±(5%+8 ф. А) Пікоамперметр А 2 -4 від 10 п. А до 10 м. А 10 ф. А від 20 мкс до 20 мс (час встановлення) ±(0, 5%+25 ф. А) Пікоамперметр KEITHLEY 6487 від 2 н. А до 20 м. А 10 ф. А до 1000 вибірок/с ±(0, 3%+400 ф. А) Електрометр KEITHLEY 6517 B/E від 20 п. А до 20 м. А 0, 1 ф. А до 425 вибірок/с ±(1% + 30 ф. А) Струмовий підсилювач KEITHLEY 428 -PROG від 5 н. А до 5 м. А 1, 2 ф. A від 2 до 250 мкс (час наростання) ±(2, 7%+1, 6 ф. А) НТУУ “КПІ” АЕД

Вимірювачі малих струмів KEITHLEY 6517 B/E Electrometer Діапазон вимірювання Pocket. Picoammermetr 20 п. А – 20 м. А 20 п. А – 2 м. А (неперервний) 1% 0. 5% 5 1/2 знаків, 0. 1 ф. А 4 1/2 знаків, 100 ф. А Частота вибірки до 425 /с до 15, 000/с Максимальна напруга до 500 В 5 В DC Падіння вхідної напруги <200 мк. В <10 м. В Точність Роздільна здатність Vcc Перехідні процеси при перемиканні діапазонів FET DUT Ii n - Vout ADC + Схема вимірювання струму з динамічним (логарифмічним) діапазоном НТУУ “КПІ” АЕД

Швидкодіючі АЦП 1 – Паралельні АЦП прямого перетворення НТУУ “КПІ” АЕД

Швидкодіючі АЦП 2 – Паралельно-послідовні АЦП прямого перетворення НТУУ “КПІ” АЕД

Швидкодіючі АЦП 2 – АЦП конвеєрного типу НТУУ “КПІ” АЕД

Швидкодіючі АЦП Конвеєрний 1, 5 бітний АЦП НТУУ “КПІ” АЕД