ПРИСТАВКА К ЦИФРОВОМУ ВОЛЬТМЕТРУ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКОВ ФЕМТОАМПЕРОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения входного тока и токов утечек по поверхности изоляции в устройствах использующих полупроводниковые МДП-приборы и низковольтные источники питания. Преимущественная область использования - при изготовлении и эксплуатации полупроводниковой аппаратуры. Полезная модель может быть использована для контроля качества полупроводниковых приборов.
При разработке и эксплуатации современной высокоточной аппаратуры необходим периодический контроль значений входных токов и качества изоляции входных цепей. Значения входных токов и токов утечки по изоляции современных прецизионных полупроводниковых приборов составляют единицы и доли фемтоампер. Напряжение питания многих микросхем (ПЛМ, АЦП и др.) составляют 3.3, 1.5 и менее вольт. Использовать для измерения токов утечки в таких приборах тестовых напряжений превышающих эти значения недопустимо по техническим условиям.
Прямой метод измерений фемтоамперных токов не получил распространения из-за сложности работы с сигналами таких низких уровней, а также шумов аппаратуры.
Метод, использующий процедуру предварительного преобразования тока в напряжение, имеет существенное ограничение, связанное с тем, что входные токи и токи утечек современных прецизионных усилителей превышают или в лучшем случае сравнимы с измеряемыми токами. Известны технические приемы (By Alfredo Saab and Randal! White, Maxim Integrated Products - July 18, 2008), позволяющее снизить суммарное значение входного тока и токов утечки измерительных устройств на операционных усилителях до 28-38 фА. Однако, этого значения недостаточно.
Методика измерения с использованием тестовых сигналов переменного тока, позволяющая исключить влияние входного тока и токов утечки измерительного устройства, имеет ограничения, связанные с прохождением реактивной составляющей через паразитную емкость измерительного устройства. Например, величина емкостного тока через проходную емкость 10пФ на частоте даже 0.03 Гц при амплитуде тестового сигнала 20 мВ составит порядка 30 фА.
Известно техническое решение, представленное в устройстве «Измеритель параметров электроизоляции MIC-2510» (ООО «ПАРМА Байкал http://www.parma.spb.ru/catalog/equipment/sonel/mic_2510) предназначенный для измерения сопротивления изоляции кабельных линий, проводов, обмоток трансформаторов, двигателей, других электро- и телекоммуникационных установок.
Недостаток известного устройства заключается в том, что оно работает при значениях измерительных (тестовых) напряжениях от 100 до 2500 В, и не может использоваться для измерений в цепях содержащих полупроводниковые приборы.
Известно техническое решение, используемое в преобразователе малых токов и зарядов (Патент SU №1656470 «Электрометрический преобразователь малых токов и зарядов», МПК G01R 19/00, опубликован 15.06.1991), содержащее операционный усилитель, интегрирующий конденсатор, цепь разряда конденсатора подключенную к входу "Сброс" преобразователя, в котором, с целью повышения точности преобразования, введены не инвертирующий усилитель и фильтр нижних частот.
Недостатком известного технического решения является большая погрешность при измерении токов фемтоамперного уровня, вследствие того, что при интегрировании накапливается не только полезный сигнал, но и все погрешности операционного усилителя, и невозможность измерения токов утечки.
Известно техническое решение, используемое в устройстве «Цифровой измеритель малых токов» (Патент SU №269633 «Цифровой измеритель малых токов», МПК G06J 3/00, опубликовано 01.01.1970), содержащее защитный ключ, подключенный параллельно входным зажимам устройства, преобразователь ток - частота, блока индикации, блок формирования импульсов обратной связи, выполненный в виде последовательно соединенных диодов включенных параллельно входным зажимам устройства и дозирующей емкости и блок коррекции дрейфа нулевого уровня.
Недостатком этого технического решения является недостаточная чувствительность (10\-11 - 10\-6 А) и невозможность измерения токов утечки.
Известно техническое решение, используемое в устройстве (Патент SU №1698850 «Устройство для измерения тока утечки изоляции изделий», МПК G01R 31/14, опубликовано 15.12.1991), содержащее источник испытательного напряжения, пульт управления, проверяемое изделие, выводы для подключения проверяемых изделий, однополюсные переключатели. Целью изобретения является повышение надежности устройства за счет обеспечения защиты измерительного прибора от перегрузок по току, например, при пробое одного из проверяемых изделий.
Недостатком этого технического решения является высокий уровень тестовых напряжений (100 В и выше) что не позволяет использовать его для измерения токов утечки в приборах с низковольтным питанием.
Известно техническое решение, используемое в устройстве (Патент SU №731388 «Устройство для измерения малых токов», МПК G01R 19/00, опубликовано 30.04.1980), содержащее усилитель с электрометрической лампой на входе, накопительный конденсатор, включенный между выходом усилителя и управляющей сеткой электрометрической лампы, вспомогательный усилитель выход которого через импульсный преобразователь напряжения в частоту и разделительный конденсатор соединен с катодом электрометрической лампы.
Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность, обусловленная сеточным током электрометрической лампы и погрешность за счет накопления этого тока на конденсаторе. Не имеет источника испытательного напряжения.
Известно техническое решение используемое в устройстве (Патент SU №1262396 «Устройство для измерения малых токов с прецизионной термостабильностью» МПК G01R 19/00, опубликовано 07.10.1986), содержащее электрометрический усилитель, в котором с целью повышения точности введены второй электрометрический усилитель, источник тока, инвертор, регулируемый делитель напряжения и повторитель, что позволяет повысить точность измерений в условиях высокого уровня дестабилизирующих факторов, стохастических изменений по уровню и времени и может быть использовано для измерения малых токов и зарядов в тяжелых условиях эксплуатации.
Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность, обусловленная метрологическими параметрами электрометрического усилителя и отсутствие источника испытательного напряжения.
Известно техническое решение, используемое в устройстве (Патент SU №1133559 «Многодиапазонный измеритель малых токов», МПК G01R 19/00 опубликовано 07.01.1985.), содержащее электрометрический усилитель, инвертирующий вход которого соединен с входной клеммой измерителя, не инвертирующий вход с шиной нулевого потенциала, измерительные резисторы, коммутационные реле замыкающего типа и коммутационные реле переключающего типа, причем одни выводы измерительных резисторов через контакты коммутационных реле замыкающего типа соединены с входной клеммой измерителя, а другие с контактами коммутационным реле переключающего типа, замыкающие контакты этих реле соединены с выходной клеммой измерителя, а размыкающие с шиной нулевого потенциала.
Недостатком известного технического решения является отсутствие отсчетного устройства, источника тестового напряжения и средств компенсации входного тока. Это техническое решение не может быть использовано для измерения токов в фемтоамперном диапазоне.
Известно техническое решение, используемое в устройстве (Патент SU №661367 «Измеритель малых токов», МПК G01R 19/00, опубликовано 05.05.1979), содержащее усилитель с параллельной отрицательной резисторной обратной связью по напряжению, регистратор выходного сигнала, источник калибровочного сигнала напряжения введенный в цепь отрицательной обратной связи по напряжению и выполненный в виде нормального элемента, подключенного через замыкающий контакт переключающего реле к группе резисторов обратной связи. Это техническое решение позволяет повысить точность, экономичность и надежность работы измерителя.
Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность т.к. измеритель не имеет цепей коррекции входного тока, не приспособлен для измерения токов утечки, а индикатором тока является стрелочный пробор, что снижает точность отсчетов.
Известно техническое решение, используемое в устройстве (Патент SU №490027 «Измеритель малых постоянных токов», МПК G01R 17/02, опубликовано 30.10.1975), в котором подлежащая измерению величина автоматически сравнивается с эталонной величиной. Это устройство содержит усилитель постоянного тока к входу которого подключены последовательно соединенные конденсатор постоянной емкости и источник образцовых напряжений, а к выходу - селектор нулевых сигналов и блок преобразования время в ток с цифровой индикацией результата преобразования. С целью минимизации времени измерения, он снабжен анализатором времени измерения, вход которого подключен к выходу селектора нулевых сигналов.
Недостаток этого технического решения в том, что не обеспечивается измерение в диапазоне фемтоамперных токов, т.к. утечки и нестабильность накапливающего конденсатора вносят погрешность, сравнимую со значениями измеряемых токов и не обеспечивается измерение токов утечки.
Известно техническое решение используемое в устройстве (Патент SU №813259 «Быстродействующий измеритель малых токов», МПК G01R 19/00, опубликовано 15.03.1981), содержащее усилитель постоянного тока, измерительный резистор, два корректирующих звена, в котором инвертирующий вход усилителя постоянного тока соединен с входной клеммой и с измерительным резистором, не инвертирующий вход соединен с общей шиной, дополнительно введен второй усилитель постоянного тока, что позволяет осуществлять настройку частотной характеристики устройства при помощи плавного регулирования двух элементов в разных звеньях коррекции, не нарушая при регулировке второго корректирующего звена достигнутого состояния коррекции частотной характеристики.
Недостатком этого технического решения является низкая чувствительность, поскольку быстродействующие усилители постоянного тока имеют большие, по определению, значения входных токов, коррекция которых с точностью до фемтоампер практически неосуществима.
Известно техническое решение, представленное в устройстве «Измеритель параметров полупроводниковых приборов ИППП-1», выпускаемый фирмой ООО «Приборэлектро». (www.priborelectro.ru) Это многофункциональное стационарное устройство позволяет измерять токи полупроводниковых приборов с разрешением 0,1 пА.
Недостатками этого технического решения являются большой вес и габариты (23 кг; 450×266×444 мм), высокая стоимость (от 453.710 до 690.536 рублей) и отсутствие источника тестового сигнала для измерения тока утечки.
Известно техническое решение, представленное в устройстве «Анализатор полупроводниковых устройств Agilent B1500A», выпускаемое компанией Agilent Technologies (http://www.home.agilent.com/en/pc-2250789/b1500a-semiconductor-device-analyzer?cc=RU&lc=rus). Это многофункциональное стационарное устройство блочной конструкции позволяет измерять слабые токи с разрешением до 0,1 фемтоампер, с использованием периодической коррекции.
Недостатками этого технического решения являются большой вес (B1500A (empty) 20 kg) и габариты (B1500A: 420 mm (W) 330 mm (H) 575 mm (D)), а так же высокая стоимость и отсутствие источника тестового сигнала для измерения тока утечки.
Известно техническое решение, представленное в устройстве «Измеритель имметанса E7-20» выпускаемое ОАО МНИПИ г. Минск, Республика Беларусь (http://www.mnipi.ru/products.php4?group=6&device=0). Это многофункциональное устройство имеет низкие уровни тестового сигнала (0.04-1 В) и позволяет измерять токи утечки в диапазоне 10/-7 - 10/-2 А на переменном токе 25 Гц - 1 МГц.
Недостатком этого технического решения является недостаточная чувствительность и невозможность проводить измерения на постоянном токе. При переменном тестовом сигнале, в результате будет присутствовать реактивная компонента, обусловленная прохождением тестового сигнала через входную и паразитные емкости, значения которых, как правило, неизвестны.
Известно техническое решение, представленное в устройстве (Патент RU №127942 «Устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот», МПК G01R 31/26, опубликовано 10.05.2013) в котором на вход исследуемой МДП-структуры подается тестовый сигнал, состоящий из суммы сигналов переменного тока малой амплитуды и постоянного или линейно-изменяющегося напряжения, определяющего диапазон исследуемых состояний системы. На выходе исследуемой МДП-структуры измеряются постоянная и переменная компоненты тока, по которым вычисляются емкость и проводимость и строится график их зависимости от значений напряжения на входе исследуемой структуры. Устройство для измерения емкости и проводимости МДП-структур в области инфранизких частот содержит генератор тестового сигнала и напряжения смещения, трансимпедансный усилитель, токозадающий резистор в цепи коррекции входного тока трансимпедансного усилителя, интегратор, блок измерения напряжения, блок управления и блок обработки, соединенный с ЭВМ. Это устройство позволяет измерять фемтоамперные токи на инфранизких частотах.
Недостатком этого устройства является невозможность проведения измерения на постоянном токе и невозможность автономного использования без участия ЭВМ.
Известно техническое решение, описанное в полезной модели «Приставка к осциллографу для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов» (Патент RU №103005 «Приставка к осциллографу для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов», МПК G01R 31/00, опубликовано 20.03.2011), выбранное в качестве прототипа.
Приставка к осциллографу для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, включающая генератор линейно изменяющегося напряжения соединенный с усилителем выполненным с возможностью регулирования смещения линейно изменяющегося напряжения относительно нулевого уровня и имеющим выходную цепь, состоящую из последовательно включенных балластного резистора, одного из исследуемых полупроводниковых приборов и датчика тока, к которому подключен инвертирующий усилитель, выход которого соединен с разъемом, предназначенным для подключения ко входу вертикального отклонения осциллографа, второй разъем, предназначенный для подключения к входу горизонтального отклонения осциллографа, соединенный с исследуемым полупроводниковым прибором через потенциометрический делитель напряжения; третий разъем для дополнительного подключения внешнего исследуемого полупроводникового прибора, а также блок питания, состоящий из двух независимых двуполярных источников напряжения, при этом инвертирующий усилитель выполнен с гальванической развязкой по питанию от усилителя и генератора для обеспечения возможности подключения к универсальному осциллографу, имеющему у входов «X» и «Y» общий провод. Это техническое решение позволяет измерять ток протекающего через исследуемый полупроводниковый прибор и определять его зависимость от приложенного напряжения.
Недостатком этого технического решения является то, что приставка носит демонстрационный характер и не имеет высоких метрологических характеристик. Отсчет значений тока производится с экрана осциллографа, т.е. с низкой точностью. Не позволяет производить измерения на постоянном токе.
Перед автором стояла задача разработать приставку к цифровому вольтметру для измерения токов фемтоамперного диапазона, позволяющую проводить измерения входного тока и тока утечки полупроводниковых приборов, работающих на постоянном токе, которую можно использовать в лабораторных, производственных и полевых условиях.
Специфика использования этого устройства заключается в том, что от измерительного прибора требуется в большей степени чувствительность, а не точность, это было учтено при разработке полезной модели.
Поставленная задача решена тем, что приставка к цифровому вольтметру для измерения токов фемтоамперного диапазона содержащая входную клемму для подключения исследуемого объекта, выходную клемму для подключения исследуемого объекта, преобразователь ток-напряжение, разъем для подключения внешнего цифрового вольтметра, дополнительно содержит источник тестового сигнала, диодный ограничитель, блок периодической коррекции,
аналоговый фильтр, разъем для подключения внешнего цифрового вольтметра, при этом исследуемый объект установлен между входной клеммой для подключения исследуемого объекта соединённой с источником тестового сигнала и выходной клеммой для подключения исследуемого объекта, выходная клемма для подключения исследуемого объекта соединена с входом преобразователя ток-напряжение, с первым выходом диодного ограничителя, второй выход которого подключен к общей шине, с выходом блока периодической коррекции, а выход преобразователя ток-напряжение подключен к входу аналогового фильтра, выход аналогового фильтра соединен с разъемом для подключения внешнего цифрового вольтметра, причем преобразователь ток-напряжение выполнен содержащим трансимпедансный усилитель в цепи обратной связи которого установлен набор резисторов и последовательно соединенных с ними ключей и осуществляющим установку диапазона измеряемых токов, далее источник тестового сигнала выполнен содержащим резисторы делителя напряжения и ключи первые выводы которых соединены с точками соединения резисторов делителя напряжения, а вторые объединены между собой, причем объединенные выводы подключены к входной клемме для подключения исследуемого объекта и осуществляющим дискретный выбор значений напряжения тестового сигнала, а блок периодической коррекции выполнен содержащим последовательно соединенные высокоомный резистор определяющий значение тока коррекции и потенциометр задающий напряжение на высокоомном резисторе определяющем значение тока коррекции.
Технический эффект заявляемой полезной модели заключается в повышении чувствительности при измерении, в коррекции входного тока усилителя, в обеспечении возможности работы приставки в комплексе с универсальным цифровым вольтметром, в сокращении времени на проведение измерения, а также в расширении функциональных возможностей и расширении ассортимента устройств данного назначения.
На фиг.1 приведена блок-схема, поясняющая работу приставки к цифровому вольтметру для измерения токов фемтоамперного диапазона, где 1- источник тестового сигнала, 2 - входная клемма для подключения исследуемого объекта, 3-исследуемый объект, 4- выходная клемма для подключения исследуемого объекта, 5 - диодный ограничитель, 6 - блок периодической коррекции, 7 - преобразователь ток-напряжение, 8 - аналоговый фильтр, 9 - разъем для подключения внешнего цифрового вольтметра.
Источники питания и выводы элементов для подключения напряжений питания на Фиг.1 опущены. Места подключения напряжений питания на других Фиг 2-4 обозначены символами «+», «-» и «com».
На фиг.2 представлена блок-схема преобразователя ток-напряжение, где 10-12 - резисторы, 13 - трансимпедансный усилитель, 14,15 - ключи.
На фиг.З представлена блок-схема источника тестового сигнала, где 16-19 - резисторы делителя напряжения, 20-22 - ключи.
На фиг.4 представлена схема блока периодической коррекции, где 23- высокоомный резистор определяющий значение тока коррекции, 24- потенциометр.
Заявляемая приставка к цифровому вольтметру для измерения токов фемтоамперного диапазона работает следующим образом. Исследуемый объект 3 устанавливается между входной 2 клеммой для подключения исследуемого объекта и выходной 4 клеммой для подключения исследуемого объекта. Причем выход источника тестового сигнала 1 соединен с входной клеммой для подключения исследуемого объекта 2, выходная клемма для подключения исследуемого объекта 3 соединена параллельно с входом преобразователя ток- напряжение 7, выходом блока периодической коррекции бис первым выходом диодного ограничителя 5 второй выход которого подключен к общей шине приставки. Выход преобразователя ток-напряжение 7 подключен к входу аналогового фильтра 8, выход которого соединен с разъемом для подключения внешнего цифрового вольтметра 9.
Преобразователь ток-напряжение 7 выполнен содержащим трансимпедансный усилитель 13, причем в цепи отрицательной обратной связи трансимпедансного усилителя 13 содержится набор резисторов 10,11,12 и последовательно соединенных с ними ключей 14,15, которыми устанавливается диапазон измеряемых токов.
Источник тестового сигнала 1 содержит резистивный делитель напряжения состоящий из резисторов делителя напряжения 14,15,16,17 и ключей 18,19,20, первые выводы которых соединены с точками соединения резисторов делителя а вторые объединены между собой, причем объединенные выводы подключены к клемме для подключения исследуемого объекта 2. Источник тестового сигнала 1 выполнен осуществляющим дискретный выбор значений напряжения тестового сигнала и является неотъемлемой частью приставки т.к. имеет общие органы управления и источники питания.
Блок периодической коррекции 6 содержит последовательно соединенные высокоомный резистор определяющий значение тока коррекции 23, и потенциометр 24, задающий напряжение на высокоомном резисторе определяющем значение тока коррекции 23.
Процедура измерения приставкой к цифровому вольтметру токов фемтоамперного диапазона состоит в том, что к разъему для подключения внешнего цифрового вольтметра 9 подключается внешний цифровой вольтметр и при включенных источниках питания осуществляется коррекция входного тока измерительного устройства вращением движка потенциометра 24 блока периодической коррекции 6. Индикатором коррекции является нулевое показание внешнего цифрового вольтметра. Коррекция измерительного устройства проводится перед началом измерения до подключения исследуемого объекта к входной клемме для подключения исследуемого объекта 2 и выходной клемме для подключения исследуемого объекта 4.
0
Рассмотрим ситуацию, когда выходная клемма для подключения исследуемого объекта 4 не подключена к исследуемому объекту 3. На выходе трансимпедансного усилителя 13 устанавливается напряжение пропорциональное току утечки входа самого трансимпедансного усилителя 13 и токов утечки по изоляции, проникающих на вход трансимпедансного усилителя 13 от внешних источников (I). Полагая, что коэффициент сигнала ошибки трансимпедансного усилителя А » 1, что реально имеет место (Вестерман Д. Применение трансимпедансных усилителей //Новости электроники, 2008, №5.), это напряжение имеет вид:
o
o
oc
=
U IR
0
oc
где I - суммарный ток утечки трансимпедансного усилителя 13 при разомкнутом входе, R - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13.
Это напряжение измеряется внешним цифровым вольтметром и является мерой собственной погрешности измерительной приставки, которая исключается блоком периодической коррекции 6.
Обратная связь обеспечивает виртуальный ноль на входе трансимпедансного усилителя 13, поэтому входное сопротивление равно нулю. Это важное свойство токоизмерительных схем обеспечивает отсутствие дополнительной погрешности от падения напряжения измеряемого тока на входном сопротивлении.
Точность измерения токов фемтоамперного уровня во многом определяется значением электрических шумов элементов входных цепей измерительного устройства. В заявляемой полезной модели применен трансимпедансный усилитель 13 у которого напряжение приведенного к входу шума определяется выражением:
23
ш
ш
ш
oc
где k=1.38×10 Дж/К - постоянная Больцмана; T - температура, k; Δf - полоса пропускания усилителя (Гц); U - напряжение шума входного каскада трансимпедансного усилителя; I - токовая составляющая входного шума трансимпедансного усилителя; R - значение сопротивления в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя.
oc.
Из приведенного выражения следует, что для уменьшения уровня тока шума, приведенного к входу трансимпедансного усилителя 13, требуется выбирать максимально возможное значение R В этом случае, уменьшается влияние как теплового шума, так и напряжение шума входного каскада. В заявляемой полезной модели сопротивление в цепи обратной связи трансимпедансного усилителя 13 определяется значением измеряемых токов и составляет 1-100 ГОм, в зависимости от выбранного диапазона измерения, что обеспечивает минимально возможный уровень шума по сравнению с другими способами. Совместно с последующей фильтрацией шумов в аналоговом фильтре 8, коррекцией входного тока и токов утечки, это обеспечивают абсолютную погрешность измерения токов менее 1фА.
В заявляемой полезной модели одновременно используются процедуры периодической коррекции и фильтрации, позволяющие достичь требуемого
результата. Измерительное устройство выполнено в виде приставки к цифровому вольтметру, причем в качестве последнего, может использоваться любой вольтметр, имеющий диапазон 1 - 10В включая переносный мультиметр. Малое потребление мощности позволило использовать батарейное питание. Высокая чувствительность обеспечена за счет использования для преобразования тока в напряжение трансимпедансного усилителя и введения блока периодической коррекции. Полезная модель используется в двух вариантах: для измерения входного тока и для измерения тока утечки, во втором случае на исследуемый объект подается регулируемое тестовое напряжение от источника тестового сигнала, входящего в состав приставки.