ZHCAEP6 November   2024 OPA928

 

  1.   1
  2.   摘要
  3.   商标
  4. 1简介
  5. 2微小电流测量的架构
    1. 2.1 库仑计
    2. 2.2 使用库仑计确定 IB
    3. 2.3 积分电容器的漏电流
  6. 3基准测试
    1. 3.1 点对点接线
    2. 3.2 屏蔽
    3. 3.3 PCB 清洁
    4. 3.4 温度稳定性
  7. 4使用库仑计对应用电路进行校准
    1. 4.1 常见应用电路校准
    2. 4.2 反相输入校准
    3. 4.3 非反相输入校准
    4. 4.4 使用过零方法确定电容器的电阻
    5. 4.5 介电吸收和弛豫
    6. 4.6 在 85°C 下校准
    7. 4.7 在 25°C 下校准
  8. 5总结
  9. 6参考资料

介电吸收和弛豫

电容器由具有介电常数和介电损耗的介电材料制成。介电常数和介电损耗取决于频率和温度。在此情况下,频率极低、温度稳定。

由于电阻率较高,因此选择了聚丙烯电容器作为积分器。大多数聚合物是介电材料。介电材料会被外部电场极化。极化有几种模型,分别是电子云极化、原子和离子的离子极化以及偶极取向极化。

在此情况下,介电常数会随着偶极的移动而增加,偶极沿外部电场的方向移动,直到取向对齐。

介电弛豫是机械取向过程。在取向过程中,偶极周围的分子会产生阻力,因此取向需要一定时间才能完成。

对于高频电场环境,偶极不能随电场变化而变化,因为这比取向过程更快。另外,对于低频电场,偶极会随电场变化而变化,没有延迟。

具有介电吸收能力的电容器的电子模型如下所示。该模型包含多个并联的 RC 时间常数。由于寄生电容器和电阻的时间常数很长,因此电容器就像记住了先前电压一样。

 电容器的寄生模型图 4-15 电容器的寄生模型

介电吸收根据 IEC/EN 60384-1 实行标准化。根据测量程序,以直流电压对电容器充电 60 分钟,然后放电 10 秒。接着测量电压恢复 15 分钟,这表示介电吸收电压。前后电压的百分比是吸收水平。聚丙烯膜电容器的介电吸收率为 0.05% 至 0.1%。

要测量飞安级超低电流,需要有足够时间来进行介电吸收和弛豫。

图 4-16 显示了在不同启动电压下多个周期的积分测量。

 使用过零方法进行多次测量时 Vcal 随时间的变化情况图 4-16 使用过零方法进行多次测量时 Vcal 随时间的变化情况

使用图 4-17 中的数据来计算 IB,可以看到,初始 IB 测量值与稳定的测量值有很大差异。这一结果是 IB 的额外误差,它从不同点开始,随时间推移逐渐对齐到一起,在此例中为 Vcal 升高。尽管弛豫过程的时间很长,但可以认为在 Vcal = 0.4V 时,随着曲线对齐,介电吸收几乎可以忽略不计。因此,Vcal 的 IB 与 Vcal 间的斜率为 0.4V 至 0.6V,这表示存在电阻。根据斜率计算,电阻很可能为 16.2 x 1015Ω。

 使用过零方法进行多次测量时 IB 随时间的变化情况图 4-17 使用过零方法进行多次测量时 IB 随时间的变化情况

此时,我们只需要考虑三个参数,分别为介电吸收、电容器电阻和 IB,如图所示。

 测量区域中三个参数的模型图 4-18 测量区域中三个参数的模型

根据我们求导的 Vcal 估算测量斜率的误差。当电容器的电压为 100mV 时,校准使用 16.2PΩ 电阻来提供 6aA 漏电流。

例如,如果我们测量缓冲器(增益 10x)输出的斜率为 10uV/秒,Vcal 为 1V(即 100 [pF] 积分电容器的电压),则 IB 的计算公式为

10 x 10-6/10 x 100 x 10-12 = 100aA(不带校准)

10 x 10-6/10 x 100 x 10-12 + 0.1/16.2 x 10-15 = 106aA(带校准)。

 具有漏电流和介电吸收的非反相输入端子校准的配置图 4-19 具有漏电流和介电吸收的非反相输入端子校准的配置

我们可以根据 Vcal 和 IB 的符号对测量值加减漏电流。