книги из ГПНТБ / Илюкович А.М. Измерительные усилители малых токов с логарифмической характеристикой

А. М. ИЛЮКОВИЧ Л. А. ВСЕВОЛОЖСКИЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

УСИЛИТЕЛИ МАЛЫХ ТОКОВ

С ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ

«Э Н Е Р Г И Я»

MQCKBA 1974

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современных методов научного исследова­ ния и новых технологических процессов обусловило фор­ мирование сравнительно новой области электроизмери­ тельной техники — электрометрии, предметом которой является измерение параметров электрических сигналов и цепей в высокоомных объектах.

Задачи, решаемые с помощью электрометрической

Одним из основных направлений электрометрии явля­ ется измерение малых постоянных и медленно изменяю­ щихся токов. Для этих целей используется пассивный преобразователь тока в напряжение в сочетании с чув­ ствительным измерителем напряжения, имеющим очень высокое входное сопротивление и малый уровень шу­ мов. В качестве пассивных преобразователей в настоя­ щее время применяются высокоомные резисторы, нако­ пительные конденсаторы и логарифмирующие элементы (ЛЭ). Теория измерителей малых токов с первыми двумя типами преобразователей разработана достаточно полно. Что касается измерителей малых токов с ЛЭ, то, несмотря на почти двадцатилетнюю историю их разви­ тия, некоторые вопросы теоретического и практического характера не нашли пока удовлетворительного решения.

Измерители малых токов с ЛЭ имеют ряд эксплуа­ тационных преимуществ перед линейными измерителями, а именно: широкий диапазон измерения, перекрываемый без переключения поддиапазонов, постоянство относи­ тельной погрешности во всем диапазоне измерений и возможность функционального преобразования значений измеряемых величин.

3

Первая, известная авторам, работа в данной области относится к 1939 г. [Л. 66]. В последующее десятилетие

сведения о применении ЛЭ в электрометрической аппа­ ратуре в печати не появлялись, что объясняется, вероят­ но, как недостаточным развитием областей применения, так н отсутствием методов и аппаратуры для исследо­ вания ЛЭ в области малых токов.

Вновь интерес к электрометрической аппаратуре с ло­ гарифмическими характеристиками возник в начале 50-х годов, что было обусловлено требованиями бурно разви­ вающейся техники измерения интенсивности ионизирую­ щих излучений. В этот период были разработаны прибо­ ры такого типа для различных областей измерительной техники. Последнее десятилетие характеризуется еще более интенсивным развитием электрометрической аппа­ ратуры с ЛЭ. Некоторые зарубежные фирмы производят серийный' выпуск разнообразной логарифмической аппа­ ратуры.

В настоящее время трудно перечислить все области применения электрометрической аппаратуры с ЛЭ.

широкодиапазонные измерения токов при физико-хи­ мических и других исследованиях [Л. 9, 13].

Параллельно с развитием логарифмической измери­ тельной аппаратуры проводятся исследования параме­ тров ЛЭ разных типов для работы в диапазоне токов до 10-14 А и выше [Л. 70, 74, 80, 81], а также прорабаты­

ваются некоторые вопросы теории логарифмических уси­ лителей [Л. 7, 19, 58].

Однако обобщающие публикации по дайной тематике отсутствуют, а ряд основных вопросов не получил долж­ ного развития. В частности недостаточно полно иссле­ дованы характеристики ЛЭ, мало внимания уделено методам и аппаратуре для исследования ЛЭ с приемлемы­ ми для измерительной техники значениями погрешно-

4

Г Л А В А П Е Р В А Я

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЯХ МАЛЫХ ТОКОВ

1. Принципы построения измерителей малых токов.

Преобразователи тока в напряжение

Основной особенностью измерителен малых токов является применение пассивных преобразователей тока в напряжение с весь­ ма большим значением сопротивления. Предельная чувствительность любого измерителя тока зависит от тока тепловых шумов, который определяется выражением

R — внутреннее сопротивление измерителя.

Как видно из этого выражения, ток тепловых шумов тем мень­ шем, чем больше сопротивление R. Нетрудно подсчитать, что для

снижения тока тепловых шумов до уровня 10~17—Ю-10 А в полосе

низкоомные измерительные устройства, чувствительные к току (маг­ нитоэлектрические гальванометры, гальванометрнческне усилители, магнитные усилители, усилители на биполярных транзисторах), не могут быть в связи с этим использованы при измерении токов ме­ нее 10-9__10-1» А. Измерение токов менее 10—10 А можно выполнить только с помощью устройств, состоящих из высокоомного преобра­ зователя тока в напряжение и измерителя напряжения на этом пре­ образователе. Требование высокого сопротивления преобразователя

полнительным требованием, обусловленным малым уровнем измеря­ емых токов и соответственно малыми значениями напряжения на выходе преобразователя, является максимальное уменьшение пара­ зитных токов и шумов как самого пассивного преобразователя, так

ивходных цепей измерителя напряжения.

Вкачестве преобразователей находят применение высокоомные

композиционные резисторы, конденсаторы с высококачественной изоляцией и логарифмирующие элементы с естественной нелинеи-

Эквивалентная схема измерителя малых токов с высокоомным преобразователем приведена на рис. 1. Высокоомный пряобразова-

6

тель представлен основным параметром Р, эквивалентным источни­

ком напряжения помех епр, эквивалентным источником тока помех (Пр, а также шунтирующим параметром Р т.

Входная цепь измерителя напряжения И характеризуется со­ противлением Rn, емкостью С„, током помех щ и напряжением по­

ния которой близок ко времени измерения. Разумеется, эквивалент­ ный источник может содержать и более высокочастотные состав­ ляющие, но они, как правило, не представляют интереса, поскольку могут быть отфильтрованы тем или иным способом.

Эквивалентный источник тока помех также является результа­ том действия многих факторов. Основной его составляющей можно считать так называемый паразитный ток конструктивных изоляторов резистора, обусловленный возникновением зарядов в объеме изоля­ тора под действием механических напряжений, химических реакций, радиационной загрязненности материалов и т. п. В общем случае эквивалентный источник тока помех также содержит постоянную и переменную составляющие.

В реальных случаях измерения напряжения на резисторе прак­ тически невозможно разделить составляющие помехи, обусловлен­

7

столикую и переменную составляющие помехи целесообразно пред­ ставить в виде эквивалентного источника напряжения, учитывающе­ го действие помех по току н напряжению.

Шунтирующим параметром резистора является емкость. В срав­ нительно узкой полосе частот высокоомный резистор может быть представлен з виде параллельного соединения сопротивления н емкости.

Последняя для реальных резисторов имеет порядок десятых до­ лей пикофарады. В широкой полосе частот (от нуля до 10— 100 Гц) приходится учитывать распределенную емкость резистора и приме­ нять более сложные схемы замещения.

В качестве емкостных преобразователен тока в напряжение (точнее, в скорость изменения напряжения) применяются серийные конденсаторы с высококачественной изоляцией или специально раз­

Основным параметром конденсатора является емкость. Она прак­ тически не зависит от проходящего через конденсатор тока. Вре­

сти в процессе накопления заряда под влиянием медленной поляри­ зации (абсорбции) диэлектрика [Л. .10]. Благодаря абсорбции емкость конденсатора оказывается зависящей от частоты измеря­ емого тока. Для конденсаторов с высококачественным диэлектри­ ком (фторопласт, полистирол) составляющая погрешности, обуслов­ ленная абсорбцией, не превышает обычно 0,1—0,2%. Для воздушных конденсаторов эта составляющая пренебрежимо мала.

Для конденсатора в основном характерны те же источники по­ мех по току и напряжению, что и для резистора. Однако в связи с тем, что измерение напряжения на конденсаторе осуществляется при условии (где R m — шунтирующее сопротивление изо­

ляции конденсатора), названные помехи целесообразно характери­ зовать эквивалентным источником тока, содержащим постоянную и переменную составляющие.

Шунтирующее сопротивление конденсатора определяется в ос­ новном поверхностным сопротивлением изоляторов и в высококаче­ ственных трехзажнмных конденсаторах достигает 1015— 1010 Ом.

В качестве логарифмирующих преобразователей тока в напря­ жение применяются электровакуумные и полупроводниковые прибо­ ры с вольт-амперной характеристикой, описываемой логарифмиче­ ской зависимостью. Сопротивление ЛЭ изменяется под действием измеряемого тока таким образом, что абсолютные приращения на­ пряжения при одинаковых относительных приращениях тока оста­ ются неизменными. В зависимости от типа ЛЭ и режима его рабо­

ко в связи с тем, что сопротивление зависит от приложенного на­ пряжения (измеряемого тока), причем эта зависимость зачастую искажается различными паразитными факторами, поведение ЛЭ как преобразователя малого тока в напряжение наиболее полно может быть описано только его вольт-амперной характеристикой.

8

Помехи ЛЭ, так же как и в случае высокоомного реЗйбтОрф целесообразно представить в виде эквивалентного источника напря­

в этом случае невозможно выделить в чистом виде, так -как его

2. Электрометрические усилители

плекте с высокоомными преобразователями тока в напряжение яв ляется достаточно сложной задачей. В подавляющем большинстве случаев такие измерители выполняются на основе так называемых

эквивалентным источником напряжения помех евх и эквивалентным

источником тока помех iDX. Аналогично эквивалентным источникам помех высокоомных преобразователей можно считать, что источники помех входной цепи ЭМУ также содержат постоянные и перемен­ ные составляющие. Однако если природа источников тока помех как у преобразователя, так и у ЭМУ практически одинакова, то экви­ валентный источник напряжения помех ЭМУ отражает результирую­ щее действие помех (временного дрейфа, температурной нестабиль­ ности, теплового и дробового шума и т. и.) всех элементов ЭМУ. приведенное ко входу усилителя.

Параметры эквивалентной схемы входной цепи ЭМУ в значи­ тельной степени определяют погрешность, а в некоторых случаях и быстродействие измерителя тока, что обусловливает жесткие тре­ бования к входному элементу ЭМУ.

Значительное увеличение входного сопротивления ЭМУ (в прин­ ципе до бесконечности) может быть получено только при исполь­ зовании во входном каскаде элемента, управляемого электростати-

9