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高源内阻电压源的测量中输入电阻和输入偏置电流引起的负载误差和减小办法

2011-8-9 13:47:31 7480 电压源电阻偏置电流

0 对高源内阻电压源的测量容易产生几种误差，诸如：电压表输入电阻和输入偏置电流以及外部分流电阻和电容引起的负载误差。下列讨论电压表输入电阻和输入偏置电流引起的负载误差的来源和将其影响减到最小的方法。输入电阻负载对高内阻电压源的测量容易产生由仪表输入电阻和连接电缆泄漏电阻引起的负载误差。实际的电压表可以由一个理想的无限大输入电阻的电压表（VM）与一个确定大小的输入电阻器（RIN）相并联来表示，如图 2-1 所示。将电压源连到电压表的输入端，源的戴文宁等效电路为 VS 与 RS相串联，这时电压表输入端出现的电压（VM）由于 RS 和 RIN 的分压器作用而减小如下：例如，假定， RS= 100kΩ ， RIN = 10MΩ，如果 VS= 5V ，则电压表实际测量出的电压为：这样，在这个例子中，输入电阻的负载效应将产生 1% 的误差。仪表的输入电阻应当远远大于源的内阻才能满足对测量准确度的要求。例如，如果希望的准确度为 1% ，那么表的输入电阻必须比源的电阻高 100 倍。对于更高的准确度，这个比率必须相应地更高。连接电缆通常不是问题，但是在源电阻非常高时（ > 10GΩ），或者在极端的环境条件下，却会引起很大的负载误差。可以将电缆保护起来，以降低其对测量的负载效应。输入偏置电流负载在测量高电阻源时要考虑的另一个问题是电压表的输入偏置电流。仪器内部电路和内部的偏移电压会在仪器的输入端引起输入偏置电流。如图2-2所示，输入偏置电流（IBIAS）在源电阻（RS）上产生了误差电压。所以实际测量的电压（VM）与源的电压（VS）有所不同： VM = VS±IOFFSETRS 例如，假定各参数如下： IOFFSET = 1pA RS = 10G VS = 10V 那么，电压表实际测量出的电压为： VM=10±(10-12 ·1010) VM=10±0.01 VM= 9.99V或者10.01V（取决于偏置电流的极性）因此，在这个例子中，输入偏置电流引起的误差大约为0.1%。数字多用表和纳伏表的输入偏置电流在1pA到1nA之间，而数字多用表通常不规定输入偏置电流。静电计以低输入偏置电流而闻名，其输入偏置电流通常在几个飞安（fA）。皮安计和SMU也具有很低的输入偏置电流，但是通常没有静电计低。虽然输入偏置电流是这种误差的常见来源，但是外电路产生的电流在源电阻上形成的电压降也能引起误差。这种偏移电流的典型来源是绝缘子和电缆。直分流电阻负载和保护外部的分流电阻，例如：漏电的电缆和肮脏的绝缘子也可能引起负载误差。跨接在电压源上的任何外部分流电阻都会使测量的电压衰减，如图2-3所示。和输入电阻的电压负载作用一样，分流电阻（RSHUNT）和源电阻（RS）也形成了一个分压器，并将测量的电压（VM）衰减如下：例如，假定，RS = 10G，RSHUNT = 100G。如果VS = 10V，则测量出的电压为： VM = 9.09V 在这个例子中，分流负载引起的误差大约为9%。分流电阻负载通常是由电缆泄漏电阻引起的，如图2-4所示。在这种情况下，测量的电压（VM）被RS 和电缆电阻RL形成的分压器衰减：为了降低由分流电阻引起的误差，使用绝缘电阻尽可能高的电缆、连接器和测试夹具。此外，采用保护技术可以消除任何剩余的误差。使用保护技术可以大大降低电缆泄漏引起的误差，如图2-5所示。在采用保护技术的连接配置中，电缆的屏蔽连接到保护缓冲放大器的输出，而不是连到仪表的LO端。RG代表从电缆的屏蔽到表的LO端的电阻，IG是为了将屏蔽驱动到与输入HI端相同的电位，而在RG中流过的电流。这个电流由保护缓冲放大器提供，而不是由电压源来提供。由于现在RL上的电压降低了好几个数量级，在大多数情况下，泄漏电流可以忽略。根据定义，保护是强制将电路中的一个低阻节点与高阻输入端节点近似等电位的一种技术。在现代的静电计中，前置放大器输出端就是这样的一个节点，并可以用来降低电缆泄漏的影响，如图2-5所示。其另一个好处是还降低了电缆的有效电容，使电路的响应速度加快很多。 0
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