测量低电阻时确定最适合的测试电流方法

执行
引言
电阻测量是表征电气器件特性的最常见测试之一。

不过，在测量极小的电阻测量时，工程师必须使用高精度低电平电流源，以防在测试过程中器件产生自热效应或损坏。

在实施精确的低电阻测量时需要考虑到许多因素，例如:
连接
‾必须使用4 线(开尔文) 技术, 以去除引线和接触电阻。

‾需要使用低噪声、高精度的电流源和电压表。

‾测试电流必须足够大, 以便在测试电阻上产生足够明显的压降, 使得测试设备可以分辨和测量这个压降。

‾需要将功耗引起的自热效应减小到最低。

‾必须使用特殊的测量技术消除偏置电流(零位调整), 通过交替改变电流方向减少热电动势(EMF)。

‾电流源和电压表必须同步, 以避免电流源稳定时间所导致的测量误差。

确定适合的测试电路非常重要，因为虽然测试电流越大，测量分辨率就越高，但是它也会加剧功耗和自热效应。

本技术概述介绍了在使用Keysight B2961A 6.5 位低噪声电源和Keysight 34420A 7 ½ 位纳伏/微欧表执行精确低电阻测量时，如何确定最适合的测试电流。

B 2961A /B 2962A ，作为 Ke y s i g h t B2900A 系列精密仪器中的成员，是一款先进的电源。

它可以 6.5 位分辨率输出电压或电流，同时还可以监测电压和电流，是各种测量应用中不可或缺的基本工具 (请见图 1)。

B2961A/B2962A 拥有直观的图形用户界面 (GUI)，也可通过是德科技免费提供的计算机应用软件进行控制。

因此，它可以立即开始执行高效测量，操作极为简单。

B2961A/B2962A 是一款支持 4 象限工作的双极性电源，因此电压和电流极性可以是正极，也可以是负极。

它可以输出 10 fA 至 3 A (直流) 或 10.5 A (脉冲) 电流，以及 100 nV 至 210 V 电压 (请见图 2)。

除了上述的基本供应功能之外，B2961A/B2962A 还具有多种高级功能，使用户可以执行更复杂的测试和测量。

这些功能包括任意波形生成、可编程输出电阻功能和时域电压/电流波形。

因此，B2961A/B2962A 与 Keysight 34420A 结合使用，可以满足精密低电阻测量的所有要求。

电压电流
图 2. 宽广的双极性电压和电流范围 (4 象限工作)
图 1. B2961A/B2962A 能够以 6.5 位分辨率电压或电流。

10.5
3.01.5电流 [A]
直流脉冲
Keysight B2961A/62A
电
提供检测
R Meas =
V 1–V 2
= R DUT
2 x I Src
R Meas = V Meas = R DUT I Src V DUT I Src =V
Error I Src ++ R Error
B2961A 与 34420A 结合,可以提供卓越的低电阻测量性能。

在图 3 所示的电阻测量方案中，34420A 执行电压测量，而 B2961A 负责供给精密电流。

在此装置中，B2961A 充当主机，以编程设置的间隔进行测量，同时向 34420A 发送触发信号，使其执行电压测量。

34420A 可以不依赖其他仪器独立测量电阻，
但它的最小电阻范围为 1 Ω，最大输出电流为 10 mA 。

而如果使用高精度 B2961A 则能够输出最大 3 A 的电流，这比使用独立的 34420A 高出 300 倍的测量分辨率。

此外，使用 B2961A 的列表扫描模式，可以生成交替极性的测试电流，从而抑制热电动势 (EMF) 的效应。

这个特性在测量小电阻时非常重要，因为此时偏置电压和 EMF 导致的误差可能会严重影响测量精度 (请参见图 4a)。

在通过输入电流并测量电压来实施电阻测量时，可根据下面的公式计算这些误差对测量结果的影响:
图 3. B2961A 和 34420A 低电阻测量解决方案示意图
图 4. 去除电动势导致的测量误差的技术
通过输入正向和反向电流 (I Src 和 – I src ) 并计算两个电压测量结果的平均值，可以消除这一误差 (请参见图 4b)。

下面的公式显示了如何使用这两个测量结果来计算真实的电阻值:
Vmeas
DIO 9
下面的示例显示了使用 10 mΩ金属箔电阻器(具有极小的EMF) 进行的测量。

测量结果在图5、6 和7 中显示。

34420A 可以使用其内部 10 mA 电流源(具有偏置补偿功能) 测量电阻，无需使用B2961A (请参见图5)。

如图5 所示，使用 10 工频周期 (PLC) 孔径时间 (或称为积分时间)，可以看到测量结果中由于电噪声而产生的数据波动。

虽然将孔径时间增加到100 PLC 可以减少波动，但这也使测量时间变得太长，(在启用自动补偿功能后大约为8 秒/点)。

另一方面，使用 B2961A 提供的 10 mA 电流和 10 PLC 孔径时间进行测量时，由于 B2961A 具有低噪声电路输入能力，其数据波动要小于使用34420A 内部10 mA 电流源时的数据波动(请参见图6)。

此外，如果B2961A 提供的电流增加到100 mA，那么在 10 PLC 孔径时间下可以实现非常稳定的测量。

测量时间可以保持在1 秒/点以内(请参见图7)。

从这个例子可以看出，B2961A与34420A 相结合，可以帮助您在尽量缩短测量时间的同时，获得更出色的电阻测量结果。

图5. 使用34420A 内部电流源获得的测量结果
图6. 使用34420A 和B2961A 作为电流源时的测量结果稳定度比较
正如前面所说，虽然测试电流越大，分辨率越高，但它同时也加剧了器件的自热效应，因此确定合适的测试电流十分重要。

下面的示例说明了确定最适合的电流以获得稳定测量结果的
步骤。

首先，使用 B2961A 在以下条件下进行采样测量:孔径时间: 10 PLC 测量间隔: 1 秒
测试电流: 10 mA 、100 mA 、500 mA 、 1 A 和 3 A
测量结果在图 8 中显示。

测试电流为 10 m A 时功耗最小，仅 1 mW ；测试电流为 3 A 时功耗最大，达 90 mW 。

图 8 显示，10 mA 测试电流下的测量结果出现很大波动，使您无法实现精确测试，而在其他测试电流值下，噪声电平可以降到足够低的水平，保证器件测试的精确性。

不过，1 A 和 3 A 测试电流会导致器件产生较大的自热效应，使测量结果曲线逐渐发生偏移。

经过考虑，我们认为此测量适宜使用大约 500 mA 的测试电流，它可以在测量分辨率和功耗产生的自热效应之间取得良好的平衡。

如本例所示，要确定适合的测试电流，最高效的办法就是首先使用较小的测试电流，然后逐步增大电流，直到噪声电平在可接受的范围内且足够低，使得功耗产生的热效应尽量小。

在本例中，最终确定 500 mA 测试电流是最适合的，可以在测量分辨率要求与功耗热效应之间达成平衡。

图 8. 使用 B2961A 电流源提供不同测试电流而获得的测量结果
确定最佳测试电流的方法
图 7. 使用 B2961A
电流源获得的测量结果
测量
使用 B2961A 和 34420A 执行电阻测Array量的示例程序可从是德科技网站下载
获得 (请参见图 9)。

它可以与 C#、NI
公司的 Lab-VIEW、以及使用 VISA-COM
的Microsoft Excel 等配合使用。

此程
序除了支持基本的电阻测量之外，还
支持本技术概述中介绍的、可消除测
量误差的技术。

图9. 使用B2961A 和34420A 执行电阻测量的测
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