Электрометрическая С-метрия

Я долго думал, около дня, над вопросом, как можно улучшить результат измерения NJ100S в диапазоне малых емкостей, и кажется я нашел возможный выход, он очевиден – выкинуть NJ100S ! laugh Мне не известно применяется ли где-то описанный мною ниже метод, по этому я его назову по своему, и имя ему будет “Электрометрическая С-метрия”(ЭмСм).

В прошлом материале “заряд на страже фарады“, я столкнулся с проблемой высокого тока генерации на разъёмах мер, что серьезно усложняло измерение малых емкостей через заряд и понижало точность до неприемлемой. И этот метод хоть и очень интересный сам по себе, но весьма посредственный для переноса единицы с мер КМЕ-11.

Так-же простой расчёт реактивного сопротивления показывает что даже для больших емкостей 500 фФ, на тестовой частоте 1 кГц, реактивное сопротивление составит 318,31 МОм, а при уменьшении емкости оно растет в прогрессии. По этому NJ100S начинает ухудшать свои характеристики уже при емкостях 1 пФ. Когда-же при 100фФ и 1 кГц, реактивка заваливает вверх за 1.5 ГОм, точностные характеристики такого измерения становятся и вовсе на уровне близком к недопустимому. По этому я не показывал в статейке “ключ на старт” сравнение “референс-референс-DUT” на емкости 100 фФ и менее.

И тут вдруг меня осенило: “подожди-ка, так гигаомы сопротивления, это-же в полный рост электрометрия!!!” подумал я. А ведь NJ100S это очевидно не электрометр, хотя там и применяются очень неплохие ОУ.

В “заряд на страже фарады“, у меня была проблема в диапазоне близких к постоянным токов. А что если совместить электрометрический усилитель с сигналом переменного тока? хм… в идеале должен получится усилитель переменного тока который чувствителен к сверх-малым токам и не чувствительным к генерации. И измеряя не заряд или постоянный ток, а измеряя переменный ток мы уберем полностью постоянную паразитную составляющую.

Такая схема почти не чувствительна к параллельно включенным паразитным емкостям.

В целом мысль отличная, поскольку все паразитки меры и кабеля гасятся трансимпедансником, выравнивающим потенциал в 0В на выходе меры, но как всегда дьявол кроется в деталях!!! А именно в компенсационной емкости Cstab стабилизирующей трансимпедансный усилитель. Если-бы ее не было, емкость можно было-бы вычислять по  импедансу. Но она есть, и от нее избавиться нельзя. Она образует емкостной делитель из референсной емкости меры и Cstab. Из за этого зафиксировать непосредственно импеданс не получается. К примеру, 100 фФ при тестовом сигнале 7В@10Гц должны дать импеданс 159 ГОм, что эквивалентно току 44пА. Однако на аналоговом выходе мы измеряем сигнал эквивалентный только 4.2 пА. Это означает, что Cstab в много-много раз превышает емкость меры.

Этим экспериментом я так-же провел небольшой реверс-инженеринг прибора B2985A без его вскрытия, а именно я заметил, что на диапазоне 2пА и 20пА напряжение на аналоговом выходе не изменяется. Это означает что и на диапазоне 20 пА и на 2 пА у B2985A используется одна и та-же компенсирующая емкость.

И казалось-бы эксперимент провален, но нет!  Хоть мы и не можем измерить емкость DUT через импеданс, мы все еще можем измерить ее через емкостной делитель. То-есть можем рассчитать соотношение плечей емкостного делителя, через входное напряжение генерируемое Keysight 33621A поделив его на выходное напряжение аналогово выхода электрометра. А я знаю что Keysight применил достаточно стабильный конденсатор Cstab.

Тестовый стенд для проверки теории был собран.

И он показал, что теория согласуется с практикой.

Он был испытан на емкостях 10пФ, 1пФ, 0.5пФ, 0.1пФ. При 7В на входе меры 100фФ был рассчитан коэффициент емкостного делителя: на выходе электрометра мы имеем 0.436В, это означает, что поскольку коэффициент передачи аналогово выхода равен 1:2 то компенсирующая емкость примерно в 32 раза превышает емкость меры. А значит она составляет что-то около 3.2 пФ, что примерно соответствует фото внутренностей прибора на интернет сайтах. Причем при смене номинала емкости и смене напряжения, соотношение плечей все так-же, очень четко прослеживается и рассчитывается.

Внимательный читатель к этому моменту уже слегка подохуел удивился, заметив на фото параметры измерения “500 фФ при тестовом сигнале 5В@10Гц”, и не спроста!!!  Ошибки на фото нет. Несмотря на то что полоса трансимпедансника В2985A позволяет работать на частотах до десятков килогерц с малыми токами, это все-еще электрометр!!! А значит на малых частотах он будет тоже отлично работать, и ему пофиг на огромное реактивное сопротивление измеряемого объекта. По этому данный метод может даже превзойти знаменитый Andeen-Hagerling AH2700 который менее 50Гц не умеет работать.

Измерения показывают, что из за нестабильности напряжения испытательного сигнала Keysight 33621A, точности компарирования выше 0.03% добиться почти не реально.

Расчёты показывают что применив новейший электрометрический усилитель ADA4530-1 можно решить проблемы с измерением емкостей менее 100фФ. Поскольку к примеру при исследуемой емкости 1фФ и Cstab=3.2пФ, соотношение составит уже 3200:1, что даст недопустимо малый выходной сигнал и все утонет в шумах.

Его обратную связь можно построить с очень малой стабилизирующей емкостью. А проблему дрейфа переменки должно решить применение проекта Микрон-ГЛИН в качестве генератора синуса.

Буду прорабатывать!!! focus

РЕЗЮМЕ

Измерение этим способом максимально простое, и сводится всего лишь к расчёту коэффициента емкостного делителя, который остается стабильным в большой области частот.

Настоящему ампернуту кроме электрометра почти ничего не нужно. Он может электрометром измерить даже то, что обычный форумный планктон не в состоянии себе помыслить. cool С подобным я недавно столкнулся в одной из форумных помоек… по этому счетчик дней с права на бложике был сброшен. sad

Добавить комментарий