Прорыв Keysight Technologies в области измерения сверхмалых напряжений/токов и сверхбольших сопротивлений

Немного истории

Измерение напряжений, токов и сопротивлений (резистивностей) необходимо при исследовании многих электронных компонентов. Достаточно отметить, что сопротивление у них может быть очень малым и практически нулевым (в компонентах с применением сверхпроводимости) или огромным у компонентов с хорошим диэлектриком или у широкозонных полупроводниковых материалов.

Измерение сверхмалых токов и напряжений имеет более чем полувековую историю и началось с гальванометров и электрометров, для повышения чувствительности размещаемых в специальных помещениях на большой глубине. Электронные лампы из-за больших напряжений и низкой стабильности работы в измерителях малых токов и напряжений применялись крайне редко. На них было невозможно получить большой коэффициент усиления при малом временном, температурном и прочем дрейфе.

Был создан метод преобразования входного сигнала в переменный с помощью электромеханических преобразователей — усилителей класса «модуляция-демодуляция» (МДМ), с большим усилением слабого сигнала на переменном токе и последующим преобразованием в постоянное напряжение достаточно высокого уровня.

Новую эру открыла полупроводниковая электроника. С помощью отобранных пар транзисторов с почти одинаковыми параметрами удалось построить операционные усилители постоянного тока и простые электронные модуляторы — интегральные преобразователи ИП. Микроэлектроника позволила создавать пары практически идентичных транзисторов, но уже без всякого подбора. Они обеспечивали достаточную стабильность и малый (по тем временам) дрейф.

Бурное развитие получили дифференциальные усилители постоянного тока на основе дифференциальных каскадов и высокочувствительные усилители с ИП в канале МДМ и обводным каналом переменного тока для расширения полосы частот. Получили развитие всевозможные методы автоматической регулировки нуля, термостатирования измерительных схем, стабилизации коэффициента усиления и т. д.

Это позволило резко поднять точность и разрешающую способность приборов, уменьшить уровень измеряемых токов и напряжение. В области электрических измерений появились новые приставки для обозначения очень большой или очень малой кратности величин:

• peta (P) = 10¹⁵;  pico (p) = 10^–12; tera (T) = 10¹²;  femto (f) = 10^–15;
• giga (G) = 10⁹;  atto (a) = 10^–18.

В разработку и серийное производство измерителей сверхмалых токов и напряжений огромный вклад внесла американская корпорация Keithley, ныне выступающая совместно с корпорацией Tektronix, выпускающая на рынок мультиметры и осциллографы мирового класса. Keithley, по существу, заложила основы современной метрологии электронных измерителей постоянного тока, напряжения и сопротивления [1–3].

При использовании высокочувствительных приборов выяснилось, что измерение сверхмалых токов и напряжений невозможно без учета динамических показателей приборов. Например, если сопротивление измерительной цепи равно 1 ГОм (1000 МОм), то емкость цепи всего в 1 пФ ведет к постоянной времени 1000 с. С такой постоянной времени будут меняться показания прибора. Пользователь будет обречен на долгое выжидание более или менее устойчивых и стабильных показаний прибора.

Очевидно, что при этом понятия «постоянное напряжение» или «постоянный ток» становятся практически некорректными и приборы должны оценивать динамические процессы и погрешности, связанные с ними. Это значит, что приборы должны иметь возможности для построения графиков переходных процессов, временного дрейфа результатов измерений, гистограмм для оценки статистики измерений, а заодно и современный графический интерфейс пользователя GUI.

Фемто/пикоамперметры и электрометры компании Keysight Technologies

В последние годы уделяется значительное внимание исследованиям таких новых материалов, как наноматериалы, графен, полимеры и диэлектрики. Исследование этих материалов и тестирование компонентов на них требует выполнения высокочувствительных электронных измерений. Благодаря способности измерять малые токи и большие сопротивления с высокой чувствительностью, приборы серии B2980A отлично подходят для такой работы. Keysight Technologies анонсировала выпуск в серийное производство первый и пока единственный в мире электрометр серии B2980A, который позиционируется как фемто/пикоамперметр с графическим дисплеем. Внешний вид прибора со стороны передней панели показан на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид фемто/пикоамперметра

Прибор обеспечивает:

• достоверные измерения силы тока от 0,01 фА и сопротивления до 10 ПОм;
• лучший в своем классе диапазон 2 пА;
• возможность питания от аккумулятора для устранения шума от сети переменного тока;
• отображение гистограмм и графиков тренда;
• программное обеспечение для локализации источников шума.

На основе этой серии создан уникальный электрометр и измеритель больших сопротивлений B2985A (рис. 2). Он реализует метод вольтметра-амперметра. Данный прибор обеспечивает измерение сверхбольших сопротивлений — до 10 ПОм. По существу, это мультиметр с резко расширенным диапазоном измерения электрических величин.

Рис. 2. Внешний вид электрометра и измерителя больших сопротивлений

Каждый из этих приборов имеет модификацию с питанием от встроенной батареи. В таблице приведены классификационные параметры новой серии приборов Keysight Technologies.

Дополнительные возможности:

• Возможность питания от блока внешних батарей.
• Наблюдение результатов измерений и элементов графического интерфейса, построение графиков временных зависимостей измеряемого сигнала и гистограмм их распределения, построение параметрических графиков (например, вольт-амперных характеристик), автоматическая навигация, буфер 100 000 отсчетов и др.
• Дисплей обеспечивает представление измеряемых величин с разрядностью 6 ½ десятичного разряда.
• Базовая погрешность измерения 0,05% (более точные данные см. в Datasheet).
• Скорость измерений: до 20 000 измерений в секунду.
• Интерфейсы: USB, LAN, GPIB, LXI Core.
• Программное обеспечение для управления персональным компьютером.
• Габариты: 104×261×374 мм.
• Вес: от 4,3 до 5,1 кг.

Измерители серии B2980A обладают лучшими в своем классе характеристиками — диапазон измерений тока от 2 пА до 20 мА и встроенный источник напряжения 1000 В, а также инновационные функции, направленные на повышение достоверности измерений.

Представление сигналов во временной области упрощает захват переходных процессов и выбор нужных данных. Функция контроля целостности схемы измерения и специальные приспособления обеспечивают максимальную точность измерений. При измерении сверхмалых токов неправильный выбор кабелей и некорректное подключение оборудования могут порождать серьезные проблемы. Обычные пикоамперметры и электрометры не способны выявлять проблемы, связанные с измерительной схемой, такие как внешние соединения. Теперь опциональная функция контроля целостности схемы измерения упрощает выявление источников шума.

Приборы имеют графический дисплей и типичные для этого класса устройств органы управления. На передней панели расположены только органы управления и индикации. Для удобства работы предусмотрен навигатор с размещенными по кругу кнопками (рис. 3) и круглая ручка для точной установки параметров.

Рис. 3. Навигатор на передней панели

На задней стенке (рис. 4) находятся измерительные разъемы амперметра, вольтметра и источника напряжения для измерения сопротивления, разъемы запуска, блокировки и датчика влажности, а также разъемы типовых интерфейсов. Здесь расположен и разъем для кабеля электропитания от стандартной сети.

Рис. 4. Разъемы и органы управления на задней стенке прибора

Графическое меню приборов расположено в нижнем правом углу экрана. Для электрометров и измерителей высокого сопротивления оно показано на рис. 5. Меню отображает основные измерительные схемы амперметра, вольтметра и источника напряжения, нужного для измерения сопротивлений.

Рис. 5. Графическое меню

Обычно измеряемый сигнал подается на вход измерителя через экранированный провод — коаксиальный кабель. При этом кабель резко ухудшает параметры измерителя, внося во входную цепь значительную емкость и сопротивление утечки. Средняя позиция меню демонстрирует типовую измерительную схему с источником компенсирующей ЭДС. Она подается на отдельный экранирующий слой кабеля с выхода усилителя с единичным коэффициентом усиления по напряжению. Таким образом, нужен двойной коаксиальный кабель (рис. 6). В некоторых случаях нужно предусмотреть и его экранировку с помощью еще одного экранирующего слоя.

Рис. 6. Коаксиальные экранированные кабели:
а) двойной;
б) тройной

Типичный вид экрана графического дисплея

Типичный вид экрана при измерении сверхмалых токов представлен на рис. 7. Интерфейс приборов позволяет отображать результаты измерений в цифровой форме, гистограммы разброса, временные зависимости и даже (для диодов) вольт-амперные характеристики.

Рис. 7. Вид экрана при измерении постоянного тока

На рис. 8 показан вид экрана при измерении сверхбольших сопротивлений и гистограмма распределения показаний. При этом отображается текущий результат измерения, его температурный дрейф и гистограмма распределения. Обратите внимание на огромную величину сопротивления в этом примере — около 100 ГОм.

Рис. 8. Вид экрана при измерении большого сопротивления

Большим достоинством прибора является возможность графического представления временной зависимости сопротивления, тренда этой зависимости и ее шумовой составляющей. Если сопротивление стабильно, то его временная зависимость близка к горизонтальной прямой (рис. 9).

Рис. 9. Экран показывает, что измеряемое сопротивление в данном случае достаточно стабильно

В общем случае с начала измерений показания прибора будут значительно меняться. Для них характерен этап роста показаний и последующего спада до установившегося значения (рис. 10).

Рис. 10. Построение временной диаграммы изменения сопротивления

Специальные приемы измерений

Входы приборов (входные измерительные разъемы) расположены на задней стенке прибора (рис. 11). Это сделано во избежание быстрых и непродуманных операций по подключению тестируемых компонентов и для исключения случайных неточностей при организации измерительных схем и подборе специальных кабелей. При сверхчувствительных измерениях мелочей нет и надо продумывать без спешки получаемые результаты.

Рис. 11. Использование измерительных разъемов на задней панели прибора

На рис. 12 показан пример тестирования и снятия вольт-амперной характеристики светодиода. Тестироваться могут и обычные полупроводниковые диоды, термодиоды и др.

Рис. 12. Подключение светодиода для его тестирования

Одна из серьезных проблем при создании измерителей малых токов и напряжений — устранение помех от промышленной сети переменного тока частотой 50/60 Гц. В приборах выполнена очень тщательная экранировка сетевых блоков питания. Однако самым эффективным методом снижения сетевых наводок является переход от сетевого питания к питанию от батарей. Каждый из упомянутых выше приборов имеет свой вариант с батарейным питанием (рис. 13).

Рис. 13. Установка блока батарейного электропитания

Для расширения функциональных возможностей и области измеряемых параметров к приборам поставляется набор аксессуаров (рис. 14). Сюда входят измерительные экранированные кабели, комплект для измерений с внешней батареей питания и приставки для измерения сверхбольших сопротивлений.

Рис. 14. Набор аксессуаров

Измерение сопротивления диэлектриков и полупроводниковых материалов имеет свою специфику. Обычно для измерений применяются образцы материалов определенной формы — в виде диска с охранным кольцом для разделения объемной и поверхностной составляющих тока, протекающего через образец (рис. 15), для измерения объемного удельного сопротивления. Есть схемы и для измерения поверхностного сопротивления [5].

Рис. 15. Схема измерения удельного объемного сопротивления

Для таких измерений поставляется специальная опция, имеющая держатель образца материала и позволяющая создать полностью завершенную установку для измерения удельного сопротивления материалов (рис. 16). Огромные значения измеряемого сопротивления у прибора открывают новые возможности в исследовании физических свойств современных материалов электрорадиотехникики, микроэлектроники, в том числе изготовляемых с применением нанотехнологий [1, 2].

Рис. 16. Установка для измерения сопротивления диэлектрических и полупроводниковых материалов

На рис. 17 показаны подключения установки для измерения сверхбольших сопротивлений с блоком высокого напряжения. Этот вариант использования прибора гарантирует получение наиболее высокой чувствительности и наименьшее влияние наводок на измерительные цепи.

Рис. 17. Подключение внешней батареи к разъемам на задней панели

Подключение внешнего компьютера

Возможности описываемых приборов значительно расширяются при подключении к ним персонального компьютера (ноутбука). Он имеет значительно больший экран с высоким разрешением и позволяет более удобно, а часто и более точно, наблюдать результаты измерений и строить более детальные графики (рис. 18).

Рис. 18. Работа измерителя с персональным компьютером (ноутбуком)

Функция построения гистограмм в режиме реального времени для быстрого статистического анализа полученных данных ранее была доступна только на внешнем компьютере. Поскольку дисплей непрерывно обновляется в реальном времени, пользователи могут быстро адаптировать измерительную схему к исследуемому объекту. Это позволяет избавиться от любых несоответствий между схемой измерения и рабочей средой.

Работа совместно с другими приборами

Разработчики описанных приборов сумели избежать искушения расширить их диапазоны измерения вверх и довести их до привычных для мультиметров значений. Совместно с ними можно использовать различные другие приборы. Например, серия параметрических анализаторов Keysight B2900A (рис. 19) представляет собой компактные настольные параметрические источники-измерители, предназначенные для тестирования полупроводниковых приборов, компонентов и материалов [7]. Они выгодно отличаются высокой скоростью и простотой измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) полупроводниковых устройств, активных и пассивных компонентов и материалов при проведении исследований, разработок, в ходе производства и в учебном процессе.

Рис. 19. Параметрические анализаторы серии Keysight B2900A

Приборы имеют широкий диапазон выходного и измеряемого напряжения, которое составляет 210 В, а тока — до 3 A в непрерывном режиме и до 10,5 A в импульсном. Анализаторы новой серии обеспечивают высокую точность генерации и измерения напряжения и тока с разрешением 100 нВ и 10 фА соответственно.

4,3‑дюймовый цветной жидкокристаллический дисплей обеспечивает отображение информации в числовом и графическом виде при работе прибора в одно- и двухканальном режиме, режиме отображения графиков и режиме самописца (рис. 20).

Рис. 20. Области рабочих напряжений и токов параметрических анализаторов (график справа в импульсном режиме)

При работе в составе систем автоматизированного тестирования приборы серии Keysight B2900A обеспечивают превосходную точность и воспроизводимость при скорости измерений. Эти устройства позволяют сохранять до 12 500 показаний в секунду (максимальная скорость считывания в режиме свипирования при генерации/измерении с использованием GPIB), что вдвое больше скорости считывания у источников‑измерителей других производителей. Вид экрана при разных измерениях показан на рис. 21.

Рис. 21. Вид экрана параметрических анализаторов при разных измерениях

При программном управлении анализаторы серии Keysight B2900A поддерживают набор команд SCPI, что позволяет обеспечить полную совместимость с обычными источниками-измерителями и упрощает переход на новые приборы.

Серия параметрических анализаторов Keysight B29ххA включает четыре модели: две одноканальные — B2901A и B2911A, и две двухканальные — B2902A и B2912A. Эти приборы различаются и своими функциональными возможностями, такими как разрядность дисплея, разрешающая способность, минимальный временной интервал и поддерживаемые режимы отображения.

Заключение

Прорыв в области измерения малых токов и напряжений, а также больших и сверхбольших сопротивлений привел к появлению на рынке уникальных фемтоамперметров и электрометров серии B298xA. Эти приборы более чем на три порядка расширили пределы измерения напряжения и тока в области малых и сверхмалых величин и позволили осуществить измерения сверхбольших, в том числе удельных, сопротивлений.