电子测量与仪器第七章精密直流电流电压和电阻测量技术
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•3、纳伏表(nVM) • 电压表。测量低源内阻的电压信号的最佳选择。
•4、皮安表(pAM) • 安培表。低输入端压降，电流灵敏度较静电计低 ，价格也相对较低。
•
•5、源-测量单元(SMU) • 同时具有测量和源两种功能，自带电流和电压源。 •功能：电压测量 电流测量 • 电压源 电流源 •特点：类似于静电计，输入阻抗非常高（>100T Ω ）
•
•用 途：
•A、电压表—输入电阻非常高，能以非常小的电路 负载来测量电压。它能测量500pF电容两端的电压， 而不会使该电容明显放电。 •B、安培表—极低的输入电流和输入端压降，能够 检测极低的电流（1fA）。检测光电倍增管和电离室 输出的电流，以及半导体、质谱仪中微弱电流。 •C、欧姆计—恒流法或恒压法测量皆可。恒流法可 测高达200GΩ的电阻，恒压法可测高达10PΩ(1016)的 电阻。 •D、库仑计—电流积分和电荷测量，极低的输入端 压降（1fA），可测10fC(10-15)的电荷。
•CMMR=90dB
•Electrometer-Grade
•
•特点：A、输入电阻非常大，几十或几百TΩ。 • B、输入偏置电流非常小，几十上百fA。
•使用场合：A、电流小于10nA. • B、电阻大于1GΩ. • C、电源内阻较高(≥100MΩ). • D、电荷测量. • E、接近噪声极限区域的测量。
•调 零
•电 源
•显 示
•相敏检波 •交流放大 •量程转换器 •阻抗变换器
•振动金属片 •高•输指入针阻式抗简易静电计
•信号还原
•►静电计级运算放大器（OPA128）
•►世界上最灵敏度的静电计：可以测出穿过电路的单个电
子的数量。耶鲁大学，RF-SET(射频-单电子晶体管)技术 •
•Electrometer-Grade OPERATIONAL AMPLIFIER — OPA128
•高电阻测量: 电路板绝缘电阻，绝缘材料电阻率，
•
半导体电阻率，高阻值电阻器
•电荷测量: 电容测量，物体静电测量
•低电压测量: 标准电池，噪声测量 •低源内 阻测量 •低电阻测量: 接触电阻，超导体、导电材料电阻率
•本章主要介绍的是高端仪器！！！
•
•7.3 测量的极限理论
• 数字多用表（DMM）测量：
•
•被测物体 •法拉第筒
•静 •C 电
计
•R
•静
•V
•R
电
x
0
计
•电荷测量：测电压求电荷，Q＝CV •电容C高绝缘阻抗防漏电(聚乙烯)
•I
x
•V
•取样电阻
•静
•R
电
计
•电流测量(皮安表) •寄生电容→充电时间→电阻
R≤1011
•C
•静
•V
•C
电
x
0
计
•高压测量：电阻分压式(上图) • 电容分压式(下图)
•设计电路并标出运放的型号以及电阻和电容的规格。
•
•1. 电源的内阻很大
•2. 测量精度要求高：0.3mV (41/2位AD精度核算是15bits)
•3. 电压变换， -2V<Va-Vb<2V
AD：0~2.5V范围内
•该选什么样的放大器呢？
• 1. 由1、2两项，要 求放大器的输入偏置电 流极小：
V 会引起误差，影响测量的灵敏度。
•1µ
•10-6
V
•1nV
•10-9
•1pV
•被噪声禁止的区域
•10-12
•100
•103
•106
•109
•1012
•源电阻
•
•7.4 精密测量的常用仪器
•1、静电计(Electrometer) • 原理：静电感应的原理。（静电感应传感器）
•振荡器 •静电感应T •被测对象
• 直流电压>1µV
• 直流电流> 1µA
时，OK!
• 电阻值<1GΩ
• 测量接近极限理论的低电平信号时，要求仪器具 有更高的灵敏度，此时要用到： • 静电计（Electrometer ） • 皮安表（pAM） • 纳伏表（nVM）等高端仪器。
•
•测量的理论极限： • 测量灵敏度的理论极限取决于在电路中电阻所产 生的噪声，电阻噪声与电阻阻值、带宽和绝对温度 乘积的平方根成正比。
•选用耐高压电阻/电容
•
•静电计实例：
•EST102
•Advantest •R8240 数字静电计
•Keithley •6517A 型静电计/高阻系统 •• 电流测量范围1fA-20mA • 电压测量范围10µV-200V • 电阻测量可达1016Ω • 电荷测量范围10fC-2µC
•
•2、数字多用表(DMM) • 数字多用表品种繁多，范围很宽。包括从廉价的 31/2手持仪表到高精度的系统式数字多用表。 • 满足不同精度的测量需求。单点测量。 • 关注准确度、负载影响等几个基本参数。
• 也就是说，在一个1Ω的电阻上产生的1µV的信号 能够检测到，但是在1MΩ的电阻上产生的1µV的信 号，用同样的仪器就有可能检测不到，因为此时的 电阻噪声增大了1000倍。
•
•K－波尔兹曼常数 K=1.38×10-23 J/K •T－绝对温度 •R－电阻值 •B－工作带宽
•如：K－波尔兹曼常数 K=1.38×10-23 J/K
• 2. 电阻R1、R2适当。
• •
R1=R2,同一批电阻
•7.2 精密直流测量的任务
•测量任务
•1、条件：低电平条件下的测量。
•2、精密测量：要求测量精度非常高。
•3、被测对象往往是极端情况，是难以测量的对象 。
•电压测量: 电容器的介电吸收，电化学实验
•高源内 阻测量
•弱电流测量: 电容器的漏电,弱电流半导体,光和离子束
• T－绝对温度17℃ (256K) • R－电阻值 500kΩ • B－工作带宽 4MHz
•
•带 宽
•噪声电 压
•理论极限的图示：
•室温300K，响应时间为0.1~10秒范围内的电压测量理论极限:
•1kV
•103
•1V •理论极限外的正常测量区
•100
• 域当然，除了测量的理论极限之外，
来自百度文库
•1m 仪器本身的输入 偏置电流、输入电阻也 •10-3
电子测量与仪器第七章 精密直流电流电压和电
阻测量技术
2020年6月5日星期五
•7.1 一个电源测量的实例
•要求：设计一测量系统的前置放大电路，测量电池 的输出电压。 •被测目标：可认为是一电池，输出直流电压范围在 ±2V，即-2V<Va-Vb<2V，输出阻抗在107～109Ω。
•已有器件： 理想的A/D，理想的2.5V基准，+3.3V电源。 •A/D的信号输入范围为0~2.5V，精度为4位半，即±1999.9mV ，误差不超过3个字，使用温度范围18~28℃。
•4、皮安表(pAM) • 安培表。低输入端压降，电流灵敏度较静电计低 ，价格也相对较低。
•
•5、源-测量单元(SMU) • 同时具有测量和源两种功能，自带电流和电压源。 •功能：电压测量 电流测量 • 电压源 电流源 •特点：类似于静电计，输入阻抗非常高（>100T Ω ）
•
•用 途：
•A、电压表—输入电阻非常高，能以非常小的电路 负载来测量电压。它能测量500pF电容两端的电压， 而不会使该电容明显放电。 •B、安培表—极低的输入电流和输入端压降，能够 检测极低的电流（1fA）。检测光电倍增管和电离室 输出的电流，以及半导体、质谱仪中微弱电流。 •C、欧姆计—恒流法或恒压法测量皆可。恒流法可 测高达200GΩ的电阻，恒压法可测高达10PΩ(1016)的 电阻。 •D、库仑计—电流积分和电荷测量，极低的输入端 压降（1fA），可测10fC(10-15)的电荷。
•CMMR=90dB
•Electrometer-Grade
•
•特点：A、输入电阻非常大，几十或几百TΩ。 • B、输入偏置电流非常小，几十上百fA。
•使用场合：A、电流小于10nA. • B、电阻大于1GΩ. • C、电源内阻较高(≥100MΩ). • D、电荷测量. • E、接近噪声极限区域的测量。
•调 零
•电 源
•显 示
•相敏检波 •交流放大 •量程转换器 •阻抗变换器
•振动金属片 •高•输指入针阻式抗简易静电计
•信号还原
•►静电计级运算放大器（OPA128）
•►世界上最灵敏度的静电计：可以测出穿过电路的单个电
子的数量。耶鲁大学，RF-SET(射频-单电子晶体管)技术 •
•Electrometer-Grade OPERATIONAL AMPLIFIER — OPA128
•高电阻测量: 电路板绝缘电阻，绝缘材料电阻率，
•
半导体电阻率，高阻值电阻器
•电荷测量: 电容测量，物体静电测量
•低电压测量: 标准电池，噪声测量 •低源内 阻测量 •低电阻测量: 接触电阻，超导体、导电材料电阻率
•本章主要介绍的是高端仪器！！！
•
•7.3 测量的极限理论
• 数字多用表（DMM）测量：
•
•被测物体 •法拉第筒
•静 •C 电
计
•R
•静
•V
•R
电
x
0
计
•电荷测量：测电压求电荷，Q＝CV •电容C高绝缘阻抗防漏电(聚乙烯)
•I
x
•V
•取样电阻
•静
•R
电
计
•电流测量(皮安表) •寄生电容→充电时间→电阻
R≤1011
•C
•静
•V
•C
电
x
0
计
•高压测量：电阻分压式(上图) • 电容分压式(下图)
•设计电路并标出运放的型号以及电阻和电容的规格。
•
•1. 电源的内阻很大
•2. 测量精度要求高：0.3mV (41/2位AD精度核算是15bits)
•3. 电压变换， -2V<Va-Vb<2V
AD：0~2.5V范围内
•该选什么样的放大器呢？
• 1. 由1、2两项，要 求放大器的输入偏置电 流极小：
V 会引起误差，影响测量的灵敏度。
•1µ
•10-6
V
•1nV
•10-9
•1pV
•被噪声禁止的区域
•10-12
•100
•103
•106
•109
•1012
•源电阻
•
•7.4 精密测量的常用仪器
•1、静电计(Electrometer) • 原理：静电感应的原理。（静电感应传感器）
•振荡器 •静电感应T •被测对象
• 直流电压>1µV
• 直流电流> 1µA
时，OK!
• 电阻值<1GΩ
• 测量接近极限理论的低电平信号时，要求仪器具 有更高的灵敏度，此时要用到： • 静电计（Electrometer ） • 皮安表（pAM） • 纳伏表（nVM）等高端仪器。
•
•测量的理论极限： • 测量灵敏度的理论极限取决于在电路中电阻所产 生的噪声，电阻噪声与电阻阻值、带宽和绝对温度 乘积的平方根成正比。
•选用耐高压电阻/电容
•
•静电计实例：
•EST102
•Advantest •R8240 数字静电计
•Keithley •6517A 型静电计/高阻系统 •• 电流测量范围1fA-20mA • 电压测量范围10µV-200V • 电阻测量可达1016Ω • 电荷测量范围10fC-2µC
•
•2、数字多用表(DMM) • 数字多用表品种繁多，范围很宽。包括从廉价的 31/2手持仪表到高精度的系统式数字多用表。 • 满足不同精度的测量需求。单点测量。 • 关注准确度、负载影响等几个基本参数。
• 也就是说，在一个1Ω的电阻上产生的1µV的信号 能够检测到，但是在1MΩ的电阻上产生的1µV的信 号，用同样的仪器就有可能检测不到，因为此时的 电阻噪声增大了1000倍。
•
•K－波尔兹曼常数 K=1.38×10-23 J/K •T－绝对温度 •R－电阻值 •B－工作带宽
•如：K－波尔兹曼常数 K=1.38×10-23 J/K
• 2. 电阻R1、R2适当。
• •
R1=R2,同一批电阻
•7.2 精密直流测量的任务
•测量任务
•1、条件：低电平条件下的测量。
•2、精密测量：要求测量精度非常高。
•3、被测对象往往是极端情况，是难以测量的对象 。
•电压测量: 电容器的介电吸收，电化学实验
•高源内 阻测量
•弱电流测量: 电容器的漏电,弱电流半导体,光和离子束
• T－绝对温度17℃ (256K) • R－电阻值 500kΩ • B－工作带宽 4MHz
•
•带 宽
•噪声电 压
•理论极限的图示：
•室温300K，响应时间为0.1~10秒范围内的电压测量理论极限:
•1kV
•103
•1V •理论极限外的正常测量区
•100
• 域当然，除了测量的理论极限之外，
来自百度文库
•1m 仪器本身的输入 偏置电流、输入电阻也 •10-3
电子测量与仪器第七章 精密直流电流电压和电
阻测量技术
2020年6月5日星期五
•7.1 一个电源测量的实例
•要求：设计一测量系统的前置放大电路，测量电池 的输出电压。 •被测目标：可认为是一电池，输出直流电压范围在 ±2V，即-2V<Va-Vb<2V，输出阻抗在107～109Ω。
•已有器件： 理想的A/D，理想的2.5V基准，+3.3V电源。 •A/D的信号输入范围为0~2.5V，精度为4位半，即±1999.9mV ，误差不超过3个字，使用温度范围18~28℃。