Мысль дополнить свою лабораторию прибором для измерения малых токов и больших сопротивлений меня посещала с давних пор и с завидной периодичностью. Основной причиной тому были нередко возникающие задачи, для решения которых уже недостаточно возможностей универсальных мультиметров. Останавливало только одно: промышленные цифровые электрометры (пикоамперметры, тераомметры) – это узкоспециализированные, редкие, а от того весьма дорогостоящие приборы, вложение в которые может подорвать любой семейный бюджет. Последний фактор стал ещё более весомым после серии уникальных по своему содержанию публикаций уважаемых коллег
bsw_m и
shodan@micron на форуме eevblog, целиком и полностью посвящённых изучению конструкции, схемотехники и параметров электрометров минского производства. Эти публикации позволили радиолюбителям и профессионалам из многих стран окунуться в вопросы метрологии малых токов и зарядов на пике технических возможностей (а немногочисленным перепродавцам советского оборудования ещё выше задрать цены). Конечно есть и альтернатива в виде сравнительно недорогих «тёплых» ламповых изделий из доисторической эры, к которым можно отнести пресловутый стрелочный тераомметр Е7-13А, разного рода громоздкие предусилители и т.п. Но лично меня, как последователя секты миниатюризации, это направление давно не интересует.
Так или иначе, но вышеприведенные публикации стали своеобразным триггером, который стимулировал поработать немного головой и руками (а заодно привлечь к этому моего любопытного первоклассника
). В начале я составил примерный перечень задач, решение которых возлагалось на проектируемый пикоамперметр/тераомметр. В их число вошли:
1) измерение обратного тока p-n переходов, утечки затвора полевых транзисторов и пр.;
2) оценка качества изоляции и разбраковка сигнальных кабелей, в т.ч. экранированных;
3) измерение удельного сопротивления диэлектриков печатных плат, изоляторов монтажных стоек, зажимов, корпусов и панелей РЭА;
4) измерение удельного сопротивления технологических сред (смазочных, защитных);
5) измерение тока утечки разомкнутых контактных пар реле, герконов, переключателей;
6) разбраковка конденсаторов по току утечки;
7) оценка эквивалентных параметров модели диэлектрической абсорбции диэлектрика конденсаторов;
8 ) измерение среднего входного тока вольтметров, мультиметров, усилителей;
9) сортировка высокоомных (свыше 1 ГОм) резисторов по отклонению от номинала.
Затем определил рамочные требования к пределам измерения (4, 40 и 4000 пА), чувствительности (1 фА), автономности и габаритам. После чего рассмотрел варианты схемотехнической и конструктивной реализации. В итоге остановился на классическом трансимпедансном усилителе, оформленном в виде приставки к универсальному вольтметру или мультиметру с длиной шкалы 4,5 разрядов или более.
Подробно останавливаться на принципиальной схеме не вижу смысла ввиду её простоты. К тому же, подобного рода проектов в Сети выложено немало, и даже беглый поиск по слову «picoammeter» выдаёт сотни вариантов, как готовых решений, так и самоделок. Некоторые из них публиковались в солидных журналах. Вот, к примеру, статья «Picoammeter Design» в журнале Circuit Cellar №237, 2010 г. (аналог нашего журнала «Радио»):
https://drive.google.com/file/d/14RuSg4 ... sp=sharing Принципиальная схема и плата в sPlan/Sprint Layout:
https://drive.google.com/drive/folders/ ... sp=sharing В силу того, что пределы измерения перекрывают 3 порядка, это потребовало бы введения в схему переключателя поддиапазонов. Однако любой переключатель, хоть с Т-образным делителем в ООС, хоть с декадными резисторами, существенно ухудшает метрологические характеристики изделия (хотя и по разным причинам). Поэтому было принято принципиальное решение отказаться от любых способов коммутации поддиапазонов, а вместо этого сделать несколько экземпляров приставки с унифицированной конструкцией и максимально упрощённой схемой входного узла, но разными резисторами шунтов в ООС.
За исключением 2-х экземпляров приставки во всех остальных использован ОУ типа LMC662: сдвоенный, с фемтоамперным входным током. Кроме него опробованы пин-совместимый LMC6482 и счетверённый LMC6034. В последнем случае charge pump TPS60403 заменён на ICL7660. Никаких разногласий с даташитом по токам утечки и напряжению смещения ОУ не обнаружено.
Поскольку ОУ в SOIC, топология печатной платы оптимизирована по односторонний монтаж, а обратная сторона используется как экран. Монтаж компонентов входной цепи навесной. R1 и R2 припаиваются непосредственно к входному разъёму, установленному в проходном фторопластовом изоляторе. R2 и C2 припаиваются к штырю фторопластовой монтажной стойки. Инвертирующий вход ОУ отогнут пинцетом от поверхности платы и соединён тонким лужёным проводником с тем же штырём. Предварительно все изоляторы отмачивались 2 недели в изопропаноле. Разумеется все монтажные операции только в латексных перчатках.
Питание приставки батарейное, от 9-вольтовой «Кроны». Ток потребления – единицы миллиампер. При первом запуске потенциометром R6 устанавливается близкое к нулю напряжение смещения ОУ. При этом вход приставки предварительно должен быть соединён с выходом. В дальнейшем необходимость корректировать смещение не возникает.
Отдельного упоминания заслуживают высокоомные резисторы, устанавливаемые в ООС и во многом влияющие на метрологические характеристики приставки. Перед монтажом на плату я провёл разбраковку нескольких десятков резисторов разных типов от 1 ГОм и выше, как по отклонению от номинала, так и по факту выхода за границы допуска. Испытания проводил двумя способами. Резисторы менее 10 ГОм – непосредственным измерением с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Свыше 10 ГОм и до 1 ТОм – по напряжению на выходе делителя, в верхнем плече которого испытуемый резистор, а в нижнем – МРХ на 10 МОм. На фото представлены типичные «неудачники». В целом же, из нескольких десятков купленных и испытанных резисторов разных типов, КВМ в допуске оказались только 6 шт. 1 ТОм и 1 шт. 10 ГОм. Как тут не вспомнить слова уважаемого
bsw_m о том, что от советских КВМ нужно держаться подальше. Они точно не стоят тех денег, которые за них сейчас просят. В итоге пришлось использовать импортные стеклянные электрометрические резисторы, которые при допуске 10% практически все уложились в доли процента.
Конструктивно приставка оформлена в серийном металлическом корпусе Gainta, крышка которого уплотняется силиконовым шнуром. Наружу корпуса выведены тумблер питания, два зажима для подключения внешнего измерительного прибора (вольтметра, мультиметра) и входной разъём. Корпус приставки является одновременно и электростатическим экраном, и общим измерительным проводником. Резьбовое отверстие М4 в стенке корпуса позволяет прикреплять приставку винтом непосредственно к измерительной камере.
Измерительная камера представляет собой металлическую коробку с откидывающейся крышкой. На боковых поверхностях камеры расположены зажимы для подключения внешнего источника испытательного напряжения, а так же выполнены два сквозных отверстия: одно для входного разъёма приставки, второе – для крепёжного винта М4. Внутри по периферии корпуса камеры закреплены фторопластовые изоляционные скалки с отверстиями под различные виды технологической оснастки. Заготовки скалок предварительно обработаны тонким точением для удаления дефектного слоя и снижения поверхностных утечек. На 2-м фото показана измерительная камера в сборе с опытным экземпляром приставки в нестандартном корпусе.
После сборки и настройки следовал этап калибрования, который заключался в измерении крутизны преобразования каждого экземпляра усилителя и записи этого значения на специально предусмотренной наклейке на крышке корпуса. С этой целью в камере был установлен самый точный из сверхвысокоомных микропроволочных резисторов, которые у меня имелись: 333,3 МОм +/- 0,05%. Будучи подключенным к экспериментальному калибратору с выходным напряжением от 1 мкВ до 10 В этот резистор позволял формировать значение силы тока в диапазоне от 3 фА до 30 нА с достаточной для любительских целей точностью. Для наименее чувствительных исполнений приставки крутизна преобразования определялась как отношение выходного напряжения в мВ к величине входного тока в пА. Эффекты смещения нуля в этом случае во внимание не принимались ввиду их малости. Для исполнений с максимальной чувствительностью (диапазон 0…4 пА) проводилось два измерения с прямой и обратной полярностью опорного напряжения на эталонном резисторе. Искомая крутизна в этом случае рассчитывалась по размахам выходного напряжения и входного тока.
А теперь немного экспериментов… Входной ток утечки мультиметров в режиме измерения напряжения с гигаомным входом. АКИП В7-78/1 показал 30 пА, что довольно близко к типовому входному току применённого в нём ОУ LTC1050. Datron 1271 и Solartron 7081 – другого поля ягоды: 1 и 0,2 пА соответственно. У первого асинхронный МДМ на 18,8 Гц, у второго – на 50 Гц. Ещё приятно удивил UT61E
Ток утечки электромагнитных реле:
Обычная кабельная канифоль:
Какие выводы я для себя сделал?
1. Для решения подавляющего большинства вышеперечисленных задач вполне достаточно только 2-х пределов измерения: 4 и 4000 пА. Т.е. можно ограничиться только двумя «коробочками» и не множить сущности без необходимости.
2. Отсутствие расширенной защиты входа и переключателя поддиапазонов оправдано лишь при измерении на фемтоамперном пределе. Во всех остальных случаях доставляет только неудобство.
3. Желательно минимизировать ёмкость на землю той цепи, которая подключается ко входу приставки, поскольку запас устойчивости усилителя ограничен.