pikoamperomierz elektroniczny

2006
Jan Wiśniewski
Uniwersytet Zielonogórski
Instytut Informatyki i Elektroniki
ul. Podgórna 50
65-246 Zielona Góra
e-mail: [email protected]
Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne
Poznań 7 - 8 grudnia 2006
PIKOAMPEROMIERZ ELEKTRONICZNY
Prąd można mierzyć również stoperem
Streszczenie: W pracy przedstawiono – zaproponowany
przez autora – układ pikoamperomierza elektronicznego
wykorzystującego zjawisko ładowania kondensatora
wzorcowego prądem stałym. Układ ten cechuje się dużą
czułością i umożliwia pomiar prądu stałego w zakresie
0,1pA ÷ 100nA . O jego zaletach stanowi również
prosta budowa i niska cena. Z tych względów może on
znaleźć szerokie zastosowanie w każdym Laboratorium
Podstaw Elektroniki do badania właściwości podstawowych
przyrządów półprzewodnikowych.
Pikoamperomierz
elektroniczny,
pozbawiony
wcześniej opisanych wad, którego schemat ideowy
przedstawiono na rys. 1, wykorzystuje zjawisko
ładowania kondensatora prądem stałym. Umożliwia on
pomiar prądu stałego w zakresie od 0,1pA do 100nA .
Wartość mierzonego prądu wyznacza się na podstawie
czasu
ładowania
styrofleksowego
kondensatora
wzorcowego C (jeden z kondensatorów C1 ÷ C 4 ) do
z góry założonej wartości występującego na nim
napięcia stałego. Układ może służyć do pomiaru prądów
upływu bramki złączowych tranzystorów polowych
J-FET, prądów zaporowych diod półprzewodnikowych,
prądów zerowych tranzystorów bipolarnych ( I CBO ,
1. WSTĘP
Pomiaru małych prądów, w znanych firmowych
pikoamperomierzach prądu stałego [1, 3, 4, 5], dokonuje
się poprzez pomiar spadku napięcia powstającego pod
wpływem mierzonego prądu przepływającego przez
wzorcowy rezystor o możliwie dużej rezystancji rzędu
setek megaomów. Narzuca to trudne do spełnienia
wymagania stawiane samemu woltomierzowi napięcia
stałego odnośnie wymaganej możliwie dużej jego
rezystancji wewnętrznej i możliwie małego wejściowego
prądu polaryzującego. Wymienione parametry stanowią
o dużym błędzie metody pomiarowej w przypadku
pomiaru małych prądów rzędu pikoamperów.
C : ( C1 ÷ C 4)
masa
pozorna
0V
100µ A
WO
TL061
2
7
3
T1
BF 245 A D1
4
1
2
3
C1 C 2 C 3 C 4
100 p
6
VC
I CEO i I EBO ), ekstremalnie małych prądów upływu
kondensatorów tantalowych oraz do pomiaru bardzo
dużych rezystancji rzędu 10 ÷ 10 Ω .
W przypadku tranzystorów polowych niektóre ich
zastosowania związane są z pożądanymi bardzo małymi
prądami upływu elektrody bramki, determinującymi
stosowanie ich w stopniach wejściowych urządzeń
elektrometrycznych. Prądy te przyjmują wartości
9
z zakresu 10
÷ 10−14 A w tranzystorach MOS-FET
T2
B3
BF 245 A
IZ 2 Z 2
D2 I D2
Z 3 T 3 D3
P U
B 2, Z 2
B 2 Ekran BF 245 A
4
1n 10n 0,1µ K1 R3
R2
UWY
1kΩ
∆UWY
−15
15
IB2
100Ω
DB − Dioda badana
I ZAP
U ZAP
UC
K2
C 5, 220µ F
K3
BAT 1
B1
Z1
R1 22kΩ
BAT 2
2x
V 23GA − 12V
VARTA
K4
Rys.1. Schemat ideowy układu pikoamperomierza elektronicznego
i 10
−13
założonej wartości napięcia: U C = −∆UWY .
÷ 10−8 A w tranzystorach J-FET.
2. OPIS DZIAŁANIA UKŁADU I PROCEDURA
WYZNACZANIA PRĄDU
Po załączeniu napięcia zasilania (zwarte klucze
K 3 i K 4 ), w stanie spoczynkowym, przy zwartych
kluczach: K1 i K 2 , wzmacniacz operacyjny WO
objęty jest silnym ujemnym napięciowym sprzężeniem
zwrotnym za pomocą wtórnika napięciowego
zbudowanego z użyciem złączowego tranzystora
polowego T 2 z załączonym w obwodzie jego elektrody
źródła Z 2 źródłem prądowym ( T 1 i R1 ) o wydajności
ok. 100 µ A . W ten sposób w badanym tranzystorze
Jeżeli
przykładowo dla stosowanej pojemności
C = 100 pF czas, po którym zmiana napięcia
wyjściowego ∆UWY przyjmie z góry założoną wartość
równą −1V wynosi 200 sekund, to prąd upływu bramki
I B 2 badanego tranzystora wynosi 0,5 pA . Ze względu
wartości bliskiej napięciu odcięcia prądu jego drenu.
Mierzone woltomierzem cyfrowym VC występujące na
wyjściu wzmacniacza stałe napięcie UWY przyjmuje
na firmowe „tajemnice” technologicznego procesu
pasywacji powierzchni struktur półprzewodnikowych
szczególnie małymi prądami upływu bramki cechują się
tranzystory takich producentów, jak: Philips (PH),
Motorola
(M)
i
Teksas
Instruments
(TI).
Z przeprowadzonych przez autora badań wynika,
że niektóre (nieliczne) egzemplarze złączowych
tranzystorów polowych małej mocy i wielkiej
częstotliwości z kanałem typu „n” cechują się prądem
upływu bramki równym nawet ok. 0,1pA (tj. 100 fA ).
W podobny sposób, przy załączonej badanej diodzie
DB , można dokonać pomiaru sumy prądów: prądu
upływu bramki I B 2 tranzystora T 2 i prądu
ujemną wartość równą napięciu U B 2, Z 2 . Kondensator
zaporowego I ZAP badanej diody
tantalowy C 5 o dużej pojemności, pełniący rolę
pamięci analogowej, zostaje naładowany poprzez
rezystor R 2 do napięcia UWY (stała czasowa
można wyznaczyć prąd I ZAP jako różnicę prądów
T 2 , z kanałem typu „n”, wymuszane są dwa
praktycznie równe sobie prądy: prąd źródła I Z 2 i prąd
drenu I D 2 oraz stałe napięcie U B 2, Z 2 o ustalonej
ładowania wynosi ok. 0, 22s ). Napięcie to może być
zapamiętane nawet przez czas rzędu kilkudziesięciu
minut liczony od momentu otwarcia klucza K 2 . Do
nieuziemionej końcówki tego kondensatora przyłączony
jest metalowy ekran, w postaci dodatkowych
miedzianych ścieżek drukowanych (zastosowano
technikę
połączeń
drukowanych
z
użyciem
metalizowanego laminatu szklano-epoksydowego),
otaczających wszystkie przewody i elementy, które łączą
się galwanicznie z bramką B 2 badanego tranzystora
T 2 . Ekran spełnia więc rolę dodatkowej elektrody
zbierającej prądy upływu powierzchniowego laminatu
szklano-epoksydowego z nadrukowanymi połączeniami
elektrycznymi. Z tego względu, że potencjały bramki
i ekranu posiadają zawsze tę samą wartość, prąd upływu
między bramką a ekranem wynosi zero. Po otwarciu
kluczy: K1 i K 2 , przy odłączonej od układu badanej
diodzie DB , wystąpi ładowanie kondensatora C
jedynie
prądem
upływu
bramki
I B2
badanego
tranzystora T 2 . Ze względu na ustaloną wartość
napięcia U B 2, Z 2 , występujące na tym kondensatorze
narastające liniowo napięcie U C wywołuje równy, co
do modułu, ujemny przyrost napięcia wyjściowego
∆UWY . Prąd upływu bramki I B 2 badanego tranzystora
T 2 wyznacza się z zależności:
I B2 = −
C ⋅ ∆UWY
,
t
gdzie: t – czas ładowania kondensatora C do z góry
DB . Na tej podstawie
otrzymanych z wyżej opisanych dwóch pomiarów
prądów. Ponieważ na elektrodzie bramki tranzystora
T 2 ( BF 245 A ) występuje stałe ujemne napięcie
o ustalonej wartości równej ok. −2V , to napięcie
zaporowe U ZAP , występujące na badanej diodzie,
stanowiące różnicę napięcia baterii zasilającej ( 12V )
i napięcia bramki U B 2, Z 2 posiada stałą wartość
i wynosi ok. 14V .
Tranzystor T 3 wymusza w tranzystorze T 2
pożądaną małą wartość napięcia między jego drenem
D 2 i źródłem Z 2 równą ok. 2V . Przyczynia się to do
zmniejszenia prądu upływu bramki tranzystora T 2
na skutek ograniczenia zjawiska jonizacji zderzeniowej
w jego kanale oraz zmniejszenie prądu upływu
powierzchniowego między drenem i bramką [2].
Rezystor pomocniczy R3 ogranicza wartość prądu
rozładowania kondensatora C w chwili zwarcia klucza
K1 oraz podczas zmiany zakresu pomiarowego
za pomocą przełącznika P . Rezystor ten, w przypadku
zwarcia badanej diody, zabezpiecza również przed
uszkodzeniem wzmacniacz operacyjny WO i tranzystor
T 2 . Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego typu
TL061 o małym własnym poborze prądu zasilania
równym ok. 200 µ A umożliwia ekonomiczne zasilanie
układu z dwóch alkalicznych baterii ( BAT 1 i BAT 2 )
o napięciu 12V . Pozwala to na wygodne użytkowanie
przyrządu z dala od zakłóceń elektromagnetycznych
generowanych przez energetyczną sieć przemysłową.
3. ZALECENIA I UWAGI
Ze względu na szkodliwe zjawisko indukcji
elektrostatycznej wypaczające wyniki pomiarów
(fluktuacyjne wskazania woltomierza cyfrowego VC )
należy dokonywać pomiarów z dala od naładowanych
i przemieszczających się przedmiotów i osób. Pożądane
jest, aby urządzenie, operator, płaszczyzna robocza, jak
i wszystkie elementy na stanowisku pracy posiadały ten
sam potencjał równy potencjałowi ziemi. Z tego względu
pożądane jest uziemienie zarówno przyrządu, jak i osoby
dokonującej pomiaru. Należy unikać wprowadzania do
strefy roboczej przyrządu jakichkolwiek źródeł pól
elektrycznych. Takimi źródłami mogą być przedmioty
wykonane na bazie materiałów polietylenowych lub
polistyrenowych, których obecność łatwo przeoczyć
(np. torebka foliowa po kanapce śniadaniowej lub
zwykły długopis). Osoba dokonująca pomiarów, siłą
rzeczy poruszająca się, powinna nosić nieelektryzujące
się ubranie.
Wydaje się, że zastąpienie złączowego tranzystora
polowego T 2 tranzystorem typu MOS (np. KF520−15
Tesla o prądzie upływu bramki ok. 15 ⋅10 A (tj.
15 fA )) oraz staranne ekranowanie elektrostatyczne
całego przyrządu umożliwiłoby pomiar prądów stałych
o wartościach rzędu kilka ÷ kilkanaście femtoamperów.
Literatura:
[1] Bancer S.: Pikoamperomierz typu EP-2, Zakład
Doświadczalny Przemysłowego Instytutu
Elektroniki, Warszawa 1968, Instrukcja Techniczna
[2] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki, Tom 1,
WKŁ, Warszawa 1995, ss. 148 ÷ 149
[3] Kłos Z.: Mikroprocesorowy pikoamperomierz PA101, Pomiary Automatyka Kontrola,
1997, Nr. 12
[4] Pikoamperomierze typu: Keithley 485 i Keithley
486, Instrukcje techniczne
[5] Pikoamperomierz typu TR-8641 (Takeda Riken),
Instrukcja techniczna