低电流(1nA)与高电阻(1GΩ)的测试技巧共60页
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低边与高边电流检测目前,电子系统的电源管理芯片通过有效的功率分配优化系统效率。
这种管理方式的关键是电流检测,它不仅能帮助系统维持所需要的功率电平,还可通过伺服调整来维护电子系统的正常运行,防止电路失效和电池过放电。
电流检测有两个基本方法,可以测量载流导体的磁场,也可以在电流回路插入一个小电阻并测量其两端压降。
第一种方法没有强行插入元件或引入插入损耗,但价格相对昂贵,而且容易导致非线性和温度系数误差。
因此,磁场检测虽然避免了插入损耗,但由于其高成本,在具体应用中受到很大限制。
本文主要讨论电阻检测技术在半导体工业的可行性。
电阻测量在电流回路插入一个小阻值的检测电阻可以产生一个相应的压降,经过放大后形成与电流成比例的输出信号。
根据应用环境和检测电阻的放置位置不同,该检测技术为检测放大器设计带来了各种挑战。
图1(a)高边电流检测图1(b) 低边电流检测简化框图如果检测电阻放置在负载和电路地之间,其所产生的压降可以通过简单的运放进行放大(见图1(b)),这种方法称为低边电流检测。
它不同于电源、负载之间放置检测电阻的高边检流(见图1(a))。
检流电阻的阻值越小功耗越低,但要保证产生检测放大器可以检测的电压,提供足够高的精度。
注意,检流电阻两端的差分信号叠加在一个共模电压上,对于低边检测来说接近于地电位(0V),而对高边检测则接近于电源电压。
因此,对于低边检流,测量放大器的共模输入范围必须包括地电位;对于高边检流,放大器的共模范围必须包括电源电压。
图2 充电器采用了低边电流检测因为低边检流的共模电压接近地电位,检流电压可以利用一个低成本、低电压运放进行放大。
低边电流检测方案简单而且便宜,但很多应用无法接受检流电阻引入的地线干扰。
负载电流较大时更会加剧这个问题,因为系统中一部分电路的地电位由于低边检流电阻而产生偏移,而这部分电路可能与另一部分地电位没有改变的电路相互联系。
为了更好地理解这一问题,设想采用低边电流检测的“智能电池”充电器(见图2),AC/DC转换器输出连接到2线智能电池。
多种方法测量高电阻实验要求:设计两种方法测高电阻,误差小于5%主要仪器:电桥、电位差计、稳压电源、电阻箱、各类检流计等方法一:惠斯登电桥测量高值电阻(改进的惠斯登电桥)方法二:电压法测高值电阻(利用电位差计)一、实验目的:1.学会并掌握惠斯登电桥测高电阻的原理2.进一步熟悉测量灵敏度的方法,熟悉提高电桥灵敏度的几种途径3.学会用电位差计测量高电阻的原理和方法 二、仪器说明:惠斯登电桥、电位差计、稳压电源、电阻箱等三、实验原理:方法一、改进的惠斯登电桥测高值电阻1.改进的惠斯登电桥测高值电阻的原理用惠斯登电桥(如图1所所示)测量高电阻,桥臂上的已知标准电阻R N 也应为标准的高值电阻。
而标准高值电阻不易得到。
用三只已知阻值的标准电阻(≤1M Ω),组成Y 形网络,利用Y --△变换,可形成等效标准高值电阻,如图2所示。
由Y --△变换公式可得R ab =(R 3R 4+R 4R 5+R 3R 5)/R 5R bc =(R 3R 4+R 4R 5+R 3R 5)/R 3R ac =(R 3R 4+R 4R 5+R 3R 5)/R 4将Y --△变换与惠斯登电桥相结合,则惠斯登电桥可改进为一种桥臂上有等效高值电阻的电桥,如图3所示。
图1中的标准电阻R N 由图3中的等效高值电阻R bc 代替。
图3中等效电阻R bc 与直流电源并联,对电源的影响极小。
R 2与R ab 并联电阻为R ’2=R 2R ab /(R 2+R ab )。
可求得待测电阻为R x =R 1R bc /R ’22.电桥的灵敏度:当电桥平衡时,若将比较臂0R 改变一小量0R ,检流计偏转n 格,定义电桥的灵敏度S 为:S=n ·R 0/ΔR 0。
所谓“电桥平衡”,从理论上讲应是通过检流计的电流为零,但实际上是靠观察检流计的指针偏转与否来确定的,当偏转很小时人眼难以分辨,以至我们认为电桥是平衡的,这样回带来测量误差。
设检流计偏转n ∆格(一般2.0=∆n 格)人眼刚能分辨出,则由电桥灵敏度引入的被测量x R 的相对误差为S nR R x x ∆=∆,绝对误差为x x R S n R ∆=∆。
电阻测量的六种方法电阻的测量是恒定电路问题中的重点,也是学生学习中的难点。
这就要求学生能够熟练掌握恒定电路的基本知识,并能够灵活运用电阻测量的六种方法,从而提高学生的综合分析问题、解决问题的能力。
一.欧姆表测电阻1、欧姆表的结构、原理它的结构如图1,由三个部件组成:G是内阻为Rg、满偏电流为Ig的电流计。
R是可变电阻,也称调零电阻,电池的电动势为E,内阻为r。
图1 欧姆档测电阻的原理是根据闭合电路欧姆定律制成的。
当红、黑表笔接上待测电阻Rx时,由闭合电路欧姆定律可知:I = E/(R+Rg+Rx+r)= E/(R内+R X)由电流的表达式可知:通过电流计的电流虽然不与待测电阻成正比,但存在一一对应的关系,即测出相应的电流,就可算出相应的电阻,这就是欧姆表测电阻的基本原理。
2.使用注意事项:(1)欧姆表的指针偏转角度越大,待测电阻阻值越小,所以它的刻度与电流表、电压表刻度正好相反,即左大右小;电流表、电压表刻度是均匀的,而欧姆表的刻度是不均匀的,左密右稀,这是因为电流和电阻之间并不是正比也不是反比的关系。
(2)多用表上的红黑接线柱,表示+、-两极。
黑表笔接电池的正极,红表笔接电池的负极,电流总是从红笔流入,黑笔流出。
(3)测量电阻时,每一次换档都应该进行调零(4)测量时,应使指针尽可能在满刻度的中央附近。
(一般在中值刻度的1/3区域)(5)测量时,被测电阻应和电源、其它的元件断开。
(6)测量时,不能用双手同时接触表笔,因为人体是一个电阻,使用完毕,将选择开关拨离欧姆档,一般旋至交流电压的最高档或OFF 档。
二.伏安法测电阻1.原理:根据部分电路欧姆定律。
2.控制电路的选择控制电路有两种:一种是限流电路(如图2);另一种是分压电路。
(如图3) (1)限流电路是将电源和可变电阻串联,通过改变电阻的阻值,以达到改变电路的电流,但电流的改变是有一定范围的。
其优点是节省能量;一般在两种控制电路都可以选择的时候,优先考虑限流电路。