PIKOAMPEROMIERZ ELEKTRONICZNY

Jan Wiśniewski

Uniwersytet Zielonogórski Instytut Informatyki i Elektroniki ul. Podgórna 50

65-246 Zielona Góra

e-mail: wisjan@poczta.onet.pl

PIKOAMPEROMIERZ ELEKTRONICZNY

Prąd można mierzyć również stoperem

Streszczenie: W pracy przedstawiono – zaproponowany przez autora – układ pikoamperomierza elektronicznego wykorzystującego zjawisko ładowania kondensatora wzorcowego prądem stałym. Układ ten cechuje się dużą czułością i umożliwia pomiar prądu stałego w zakresie

0,1pA

÷

100nA

. O jego zaletach stanowi również prosta budowa i niska cena. Z tych względów może on znaleźć szerokie zastosowanie w każdym Laboratorium Podstaw Elektroniki do badania właściwości podstawowych przyrządów półprzewodnikowych.

1. WSTĘP

Pomiaru małych prądów, w znanych firmowych pikoamperomierzach prądu stałego [1, 3, 4, 5], dokonuje się poprzez pomiar spadku napięcia powstającego pod wpływem mierzonego prądu przepływającego przez wzorcowy rezystor o możliwie dużej rezystancji rzędu setek megaomów. Narzuca to trudne do spełnienia wymagania stawiane samemu woltomierzowi napięcia stałego odnośnie wymaganej możliwie dużej jego rezystancji wewnętrznej i możliwie małego wejściowego prądu polaryzującego. Wymienione parametry stanowią o dużym błędzie metody pomiarowej w przypadku pomiaru małych prądów rzędu pikoamperów.

Pikoamperomierz elektroniczny, pozbawiony wcześniej opisanych wad, którego schemat ideowy przedstawiono na rys. 1, wykorzystuje zjawisko ładowania kondensatora prądem stałym. Umożliwia on pomiar prądu stałego w zakresie od

0,1pA

do

100nA

. Wartość mierzonego prądu wyznacza się na podstawie czasu ładowania styrofleksowego kondensatora wzorcowego

C

(jeden z kondensatorów

C

1

÷

C

4

) do z góry założonej wartości występującego na nim napięcia stałego. Układ może służyć do pomiaru prądów upływu bramki złączowych tranzystorów polowych J-FET, prądów zaporowych diod półprzewodnikowych, prądów zerowych tranzystorów bipolarnych (

I

_CBO,

CEO

I

i

I

_EBO), ekstremalnie małych prądów upływu kondensatorów tantalowych oraz do pomiaru bardzo dużych rezystancji rzędu

10

9

÷

10

15

Ω

.

W przypadku tranzystorów polowych niektóre ich zastosowania związane są z pożądanymi bardzo małymi prądami upływu elektrody bramki, determinującymi stosowanie ich w stopniach wejściowych urządzeń elektrometrycznych. Prądy te przyjmują wartości z zakresu

10

−15

÷

10

−14

A

w tranzystorach MOS-FET

WY U ZAP I 2 B I 2, 2 B Z U 2 D I 2 Z I VC C U 3 R 100Ω 2 B 2 Z D2 245 BF A 3 Z 3 B 3 D 245 BF A ZAP U 1 C C2 100 p 1n 2 T 3 T WY U ∆ : ( 1 4) C C ÷C WO 061 TL masa pozorna 0V DB−Dioda badana 3 C C4 10n 0,1

µ

1 2 3 4 P 23 12 V GA− V 2x VARTA 1 BAT 2 BAT 3 K 4 K 1 T 245 BF A 1 R 22kΩ 1 K 100 A

µ

6 4 3 2 ₇ 1 B 1 D 1 Z 2 R 1kΩ 5, C 220 F

µ

2 K Ekran

Rys.1. Schemat ideowy układu pikoamperomierza elektronicznego

2006

Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 7 - 8 grudnia 2006

i

10

−13

÷

10 A

−8 w tranzystorach J-FET. założonej wartości napięcia:

U

_C

= −∆

U

_WY.

2. OPIS DZIAŁANIA UKŁADU I PROCEDURA WYZNACZANIA PRĄDU

Po załączeniu napięcia zasilania (zwarte klucze

3

K

i

K

4

), w stanie spoczynkowym, przy zwartych kluczach:

K

1

i

K

2

, wzmacniacz operacyjny

WO

objęty jest silnym ujemnym napięciowym sprzężeniem zwrotnym za pomocą wtórnika napięciowego zbudowanego z użyciem złączowego tranzystora polowego

T

2

z załączonym w obwodzie jego elektrody źródła

Z

2

źródłem prądowym (

T

1

i

R

1

) o wydajności ok.

100 A

µ

. W ten sposób w badanym tranzystorze

2

T

, z kanałem typu „n”, wymuszane są dwa praktycznie równe sobie prądy: prąd źródła

I

_Z2 i prąd drenu

I

_D2 oraz stałe napięcie

U

_{B2, 2Z} o ustalonej wartości bliskiej napięciu odcięcia prądu jego drenu. Mierzone woltomierzem cyfrowym

VC

występujące na wyjściu wzmacniacza stałe napięcie

U

_WY przyjmuje ujemną wartość równą napięciu

U

B2, 2Z . Kondensator

tantalowy

C

5

o dużej pojemności, pełniący rolę pamięci analogowej, zostaje naładowany poprzez rezystor

R

2

do napięcia

U

_WY (stała czasowa ładowania wynosi ok.

0, 22s

). Napięcie to może być zapamiętane nawet przez czas rzędu kilkudziesięciu minut liczony od momentu otwarcia klucza

K

2

. Do nieuziemionej końcówki tego kondensatora przyłączony jest metalowy ekran, w postaci dodatkowych miedzianych ścieżek drukowanych (zastosowano technikę połączeń drukowanych z użyciem metalizowanego laminatu szklano-epoksydowego), otaczających wszystkie przewody i elementy, które łączą się galwanicznie z bramką

B

2

badanego tranzystora

2

T

. Ekran spełnia więc rolę dodatkowej elektrody zbierającej prądy upływu powierzchniowego laminatu szklano-epoksydowego z nadrukowanymi połączeniami elektrycznymi. Z tego względu, że potencjały bramki i ekranu posiadają zawsze tę samą wartość, prąd upływu między bramką a ekranem wynosi zero. Po otwarciu kluczy:

K

1

i

K

2

, przy odłączonej od układu badanej diodzie

DB

, wystąpi ładowanie kondensatora

C

jedynie prądem upływu bramki

I

_B2 badanego tranzystora

T

2

. Ze względu na ustaloną wartość napięcia

U

_{B2, 2Z} , występujące na tym kondensatorze narastające liniowo napięcie

U

C wywołuje równy, co

do modułu, ujemny przyrost napięcia wyjściowego

WY

U

∆

. Prąd upływu bramki

I

_B2 badanego tranzystora

2

T

wyznacza się z zależności:

₂ WY B

C

U

I

t

⋅ ∆

= −

,

gdzie: t – czas ładowania kondensatora

C

do z góry

Jeżeli przykładowo dla stosowanej pojemności

100

C

=

pF

czas, po którym zmiana napięcia wyjściowego

∆

U

_WY przyjmie z góry założoną wartość równą

−

1V

wynosi 200 sekund, to prąd upływu bramki

2 B

I

badanego tranzystora wynosi

0, 5 pA

. Ze względu na firmowe „tajemnice” technologicznego procesu pasywacji powierzchni struktur półprzewodnikowych szczególnie małymi prądami upływu bramki cechują się tranzystory takich producentów, jak: Philips (PH), Motorola (M) i Teksas Instruments (TI). Z przeprowadzonych przez autora badań wynika, że niektóre (nieliczne) egzemplarze złączowych tranzystorów polowych małej mocy i wielkiej częstotliwości z kanałem typu „n” cechują się prądem upływu bramki równym nawet ok.

0,1pA

(tj.

100 fA

). W podobny sposób, przy załączonej badanej diodzie

DB

, można dokonać pomiaru sumy prądów: prądu upływu bramki

I

_B2 tranzystora

T

2

i prądu zaporowego

I

_ZAP badanej diody

DB

. Na tej podstawie można wyznaczyć prąd

I

_ZAP jako różnicę prądów otrzymanych z wyżej opisanych dwóch pomiarów prądów. Ponieważ na elektrodzie bramki tranzystora

2

T

(

BF

245

A

) występuje stałe ujemne napięcie o ustalonej wartości równej ok.

−

2V

, to napięcie zaporowe

U

_ZAP, występujące na badanej diodzie, stanowiące różnicę napięcia baterii zasilającej (

12V

) i napięcia bramki

U

_{B2, 2Z} posiada stałą wartość i wynosi ok.

14V

.

Tranzystor

T

3

wymusza w tranzystorze

T

2

pożądaną małą wartość napięcia między jego drenem

2

D

i źródłem

Z

2

równą ok.

2V

. Przyczynia się to do zmniejszenia prądu upływu bramki tranzystora

T

2

na skutek ograniczenia zjawiska jonizacji zderzeniowej w jego kanale oraz zmniejszenie prądu upływu powierzchniowego między drenem i bramką [2]. Rezystor pomocniczy

R

3

ogranicza wartość prądu rozładowania kondensatora

C

w chwili zwarcia klucza

1

K

oraz podczas zmiany zakresu pomiarowego za pomocą przełącznika

P

. Rezystor ten, w przypadku zwarcia badanej diody, zabezpiecza również przed uszkodzeniem wzmacniacz operacyjny

WO

i tranzystor

2

T

. Zastosowanie wzmacniacza operacyjnego typu

061

TL

o małym własnym poborze prądu zasilania równym ok.

200

µ

A

umożliwia ekonomiczne zasilanie układu z dwóch alkalicznych baterii (

BAT

1

i

BAT

2

) o napięciu

12V

. Pozwala to na wygodne użytkowanie przyrządu z dala od zakłóceń elektromagnetycznych generowanych przez energetyczną sieć przemysłową.

3. ZALECENIA I UWAGI

Ze względu na szkodliwe zjawisko indukcji elektrostatycznej wypaczające wyniki pomiarów (fluktuacyjne wskazania woltomierza cyfrowego

VC

) należy dokonywać pomiarów z dala od naładowanych i przemieszczających się przedmiotów i osób. Pożądane jest, aby urządzenie, operator, płaszczyzna robocza, jak i wszystkie elementy na stanowisku pracy posiadały ten sam potencjał równy potencjałowi ziemi. Z tego względu pożądane jest uziemienie zarówno przyrządu, jak i osoby dokonującej pomiaru. Należy unikać wprowadzania do strefy roboczej przyrządu jakichkolwiek źródeł pól elektrycznych. Takimi źródłami mogą być przedmioty wykonane na bazie materiałów polietylenowych lub polistyrenowych, których obecność łatwo przeoczyć (np. torebka foliowa po kanapce śniadaniowej lub zwykły długopis). Osoba dokonująca pomiarów, siłą rzeczy poruszająca się, powinna nosić nieelektryzujące się ubranie.

Wydaje się, że zastąpienie złączowego tranzystora polowego

T

2

tranzystorem typu MOS (np. KF520-Tesla o prądzie upływu bramki ok.

15 10

⋅

−15

A

(tj.

15 fA

)) oraz staranne ekranowanie elektrostatyczne całego przyrządu umożliwiłoby pomiar prądów stałych o wartościach rzędu kilka

÷

kilkanaście femtoamperów.

Literatura:

[1] Bancer S.: Pikoamperomierz typu EP-2, Zakład Doświadczalny Przemysłowego Instytutu

Elektroniki, Warszawa 1968, Instrukcja Techniczna [2] Horowitz P., Hill W.: Sztuka Elektroniki, Tom 1, WKŁ, Warszawa 1995, ss. 148

÷

149

[3] Kłos Z.: Mikroprocesorowy pikoamperomierz PA- 101, Pomiary Automatyka Kontrola,

1997, Nr. 12

[4] Pikoamperomierze typu: Keithley 485 i Keithley 486, Instrukcje techniczne

[5] Pikoamperomierz typu TR-8641 (Takeda Riken), Instrukcja techniczna