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

веским полем. В качестве таких элементов в настоящее бремй используются электростатические измерительные механизмы, специ­ альные (электрометрические) лампы, динамические конденсаторы, варикапы, МОП-транзисторы и сегнетоэлектрики.

Исторически первым измерителем напряжения с бесконечно большим входным сопротивлением являлся электростатический элек­ трометр. Паразитный ток электростатического электрометра в основ­ ном обусловлен только паразитным током изоляторов и может быть сделан малым. У лучших типов таких электрометров порог чувст­ вительности по напряжению лежит на уровне 50— 100 мкВ. Приборы этого типа находят некоторое применение в схемах ЭМУ до настоя-

%

щего времени, однако в силу ряда недостатков, основными из кото­ рых являются сложность механической конструкции и повышенная чувствительность к тряске, вибрациям, наклонам, электростатиче­ ский электрометр представляется малоперспективным прибором для

данной цели.

Более широкое применение в качестве входного элемента ЭМУ получили электрометрические лампы. Электрометрическими называ­ ются электронные лампы, сеточный ток которых лежит на уровне 10—12__10 "13 А и ниже, что достигается рядом конструктивных и ре­ жимных особенностей ламп [Л. 11]. С целью уменьшения сеточного тока электрометрические лампы работают при пониженной до оШ 900 К температуре катода и низком (5— 15 В) анодном напряже­ нии. При этом анодный ток ламп разных типов лежит в пределах 1—500 мкА, а крутизна — в пределах 10—300 мкА/В. Отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются электрометрические триоды, тетроды и пентоды. Коэффициент усиления ц триодов и тетродов находится на уровне 1—2,5, а у пентодов достигает II 000

и более.

10

При неизменном входном напряжении электрометрической лам­ пы ее выходное (анодное) напряжение может значительно изме­ няться при изменениях напряжения накала, анодного тока, темпе­ ратуры окружающей среды, а также при изменении эмиссионной способности катода в результате его старения. Это изменение вы­ ходного напряжения принято оценивать дрейфом— эквивалентным изменением напряжения управляющей сетки лампы. С целью умень­ шения дрейфа применяют несимметричную (одноламповую) и сим­ метричную (двухламповую) балансные схемы входных каскадов и стабилизацию питающих напряжений. Это позволяет уменьшить дрейф до десятых долей милливольта в час [Л. '11]. Широкое рас­ пространение получила параллельно-балансная схема входного кас­ када ЭМУ на сдвоенной электрометрической лампе, обеспечиваю­ щая уменьшение дрейфа до десятых долей милливольта в час срав­ нительно простым схемным решением.

В качестве примера ЭМУ с ламповым входным каскадом рас­ смотрим схему усилителя У1-6, серийно выпускаемого одним из оте­ чественных приборостроительных заводов [Л. 8]. Схема усилителя приведена на рис. 3. Первый каскад усилителя выполнен на субминнатюриом электрометрическом пентоде Л i типа ЭМ-10. Входной

сигнал подается на управляющую сетку лампы. Усиленное напря­ жение снимается с сопротивления анодной нагрузки Ri и подается

на управляющую сетку лампы второго каскада усиления напряже­ ния Лг (1Ж18Б). Резисторы iR2—Re определяют режим обеих ламп по цепи накала. Резисторы # 7—Ro обеспечивают питание экраниру­ ющей сетки лампы Л i стабилизированным напряжением от пара­ метрического стабилизатора Дн, Д 1 — Дз. Резистором Rs осуществ­ ляется грубая, а резистором R a — точная регулировка нуля ЭМУ. Конденсатор Сi ограничивает полосу пропускания усилителя в обла­

сти высоких частот. С выхода второго каскада (сопротивление анодной нагрузки лампы Лг — резистор Rw) сигнал подается на

транзисторный усилитель напряжения, выполненный по схеме с об­

подается иа базу транзистора Т2, включенного по схеме с общим коллектором. С нагрузки этого каскада (резистор Ru) снимается

выходное напряжение ЭМУ. Питание усилителя осуществляется от транзисторного стабилизатора напряжения (на схеме не показан).

Усилитель У 1-6 имеет следующие параметры: входной (паразитный) ток не более 5 -1 0 -15 А;

дрейф входного напряжения (изменение постоянной составля­ ющей напряжения помехи) в среднем 1 мВ за 20 мин;

коэффициент усиления не менее 1 000; выходное сопротивление не более 5 Ом.

Широкое применение в высококачественных ЭМУ находят ди­ намические конденсаторы, являющиеся в настоящее время лучши­ ми входными элементами ЭМУ. Динамический конденсатор пред­ ставляет собой емкостный вибрационный преобразователь постоян­ ного или медленно изменяющегося напряжения в напряжение отно­ сительно высокой частоты. Наиболее распространены динамические конденсаторы с одной неподвижной и одной или двумя подвижными пластинами, возбуждаемыми с помощью автономного генератора на частоте свободных или вынужденных колебаний подвижных пла­ стин.

11

Эквивалентная схема входном цепи ЭМУ с динамическим кон­ денсатором приведена на рис. 4,о. Источник сигнала е с внутренним сопротивлением г подключается к динамическому конденсатору С, через резистор R\. При этом соблюдают условие i?iCoi>-1//п. где Со1— емкость динамического конденсатора при отсутствии возбуж­ дения; fn — частота преобразования динамического конденсатора.

Соблюдение этого условия приводит к тому, что заряд на динами­ ческом конденсаторе не изменяется при изменениях емкости кон­ денсатора, вызываемых колебаниями подвижной пластины. В этом случае справедливо выражение

коэффициента преобразования динамического конденсатора (отно­

(УНЧ). Так, при емкости динамического конденсатора 20 пФ и ча­ стоте преобразования 300 Гц входное сопротивление УНЧ должно равняться примерно 1,7-Ю 8 Ом, что приводит к необходимости при­ менения высокоомных (лампа, МОП-транзистор) входных элемен­ тов УНЧ. При частоте преобразования порядка нескольких кило­ герц входное сопротивление может быть значительно уменьшено и возможно применение биполярных транзисторов.

ляет от 50 до 200 мкВ/24 ч. Действующее значение шумов динами­

ческого конденсатора достигает 15 мкВ.

В динамических конденсаторах применяется электромагнитное или электростатическое возбуждение колебаний подвижных пластин. Как правило, динамические конденсаторы с электростатическим воз­ буждением имеют более высокую частоту преобразования, п.х конст­ рукция допускает применение высокоэффективной технологии изго­ товления детален, обеспечивающей снижение паразитного тока и дрейфа нулевого уровня. Благодаря этому ЭМУ на таких конден­ саторах имеют в настоящее время лучшие параметры: действующее значение шумов 2 мкВ, паразитный ток 10- *7 А, дрейф нулевого уровня 20 мкВ/24 и 20 мкВДС. Недостатками ЭМУ с динамическим конденсатором являются сравнительно узкая полоса пропускания, поскольку частота входного сигнала должна быть значительно мень­ ше частоты преобразования, и некоторое усложнение конструкции по сравнению с ламповыми ЭМУ (наличие генератора возбуждения динамического конденсатора и демодулятора). Однако, несмотря на это, ЭМУ с динамическими конденсаторами наиболее широко при­ меняются в электрометрической аппаратуре.

12

ипи, что они могут работать в более жестких условиях (тряска, вибрации).

Варикапы (полупроводниковые управляемые емкости) и сегнетоэлектрнки используются аналогично динамическому конденсато­ ру в качестве преобразователей постоянного тока в переменный в усилителях постоянного тока по схеме модулятор — демодулятор. Их достоинством является возможность работы на более высоких частотах преобразования, что позволяет расширить частотный диа­ пазон измеряемых величии и упростить конструкцию ЭМУ. По дрей­ фу нулевого уровня и шумам преобразователи па варикапах близ­ ки к преобразователям на динамических конденсаторах, однако зна­ чительно уступают последним в отношении входного сопротивления и паразитного тока п в связи с этим пока пе получили широкого применения.

Определяя влияние параметров входных элементов на парамет­ ры ЭМУ, следует иметь в виду, что постоянные составляющие помех по току и напряжению в ряде случаев могут быть компенсированы при рациональном построении схемы ЭМУ н выборе соответствую­ щей методики измерения (балансные схемы, компенсирующие источ­ ники тока и напряжения, отсчет приращения выходной величины, изменение полярности входного сигнала и т. и.). При этом влияние на погрешность измерения оказывают только изменения названных параметров за время измерения, которые в большинстве случаев значительно меньше постоянных составляющих.

Нестабильность коэффициента усиления ЭМУ обычно устраня­ ется применением цепей обратной связи. Поскольку необходимое усиление выходного сигнала преобразователя ток — напряжение по напряжению невелико (как правило, не более 10— 100), его подают непосредственно в цепь обратной связи ЭМУ.

с включением преобразователя в цепь параллельной отрицательной обратной связи ЭМУ по напряжению. На рис. 5,а приведена прин­

ципиальная, а на рис. 5,6— эквивалентная схема такого измерителя. Измеряемый ток / подается на входные зажимы ЭМУ. На выходе ЭМУ включены измеритель выходного напряжения, И и регулятор глубины обратной связи R^. Как правило, R$ выполняется в виде

делителя с фиксированными значениями коэффициента деления, переключаемого при смене поддиапазонов измерения тока с целью обеспечения постоянства максимального значения выходного напря­

помех ins и эквивалентный источник напряжения помех еВхВход­ ные зажимы ЭМУ зашунгироваиы сопротивлением Rn* и емкостью

CDX. Резистивный преобразователь представлен сопротивлением '/?Пр, эквивалентным источником напряжения помех еПр и шунтирующей емкостью Сш.

Н

грешность измерения тока в погрешность измерения тока определя­

что погрешность измерения тока зависит от параметров преобразо­ вателя (Rap, ARnV, е„р), ЭМУ (enx, ins) и измерителя выходного

Рис. 5. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы измерителя

малых токов с резистивным преобразователем тока в напряжение.

напряжения (у, .р, Ар), поскольку значение Р выбирается из условий

согласования напряжения на преобразователе с пределом измере­ ния измерителя напряжения И. В реальных случаях основное влия­

ние па погрешность измерения тока оказывает относительная по­ грешность сопротивления преобразователя, определяемая неточно­ стью измерения, временным дрейфом и температурной нестабильно­ стью этого сопротивления. При измерении весьма малых (10-15— 10-13 А) токов, т. е. при малых значениях напряжения на преобра­

в напряжение выполняются в подавляющем большинстве случаев по схеме с включением интегрирующего конденсатора в цепь парал­ лельной отрицательной обратной связи ЭМУ по напряжению. Прин-

15

ципнальная и эквивалентная схемы такого измерителя приведены на рис. 6. Измеряемый ток /, поданный на вход измерителя, заряжа­ ет интегрирующий конденсатор С„р, причем скорость изменения на­ пряжения на конденсаторе определяется выражением

Выходное напряжение ЭМУ измеряется прибором И, по изме­

нению показаний которого за определенный промежуток времени определяют среднее значение измеряемого тока. Погрешность изме­ рения тока зависит от параметров эквивалентной схемы: помех по току входной цепи ЭМУ (i'dx) и конденсатора ((Пр), помех по на­ пряжению во входной цепи ЭМУ (епх), входного (Rих) и шунтиру­ ющего (Rm) сопротивлений и входной емкости ЭМУ (С и ). ‘Кроме

Рас. 6. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы измерителя

малых токов с емкостным преобразователем тока в напряжение.

того, на нее оказывают влияние погрешность определения емкости интегрирующего конденсатора, погрешности измерения времени интегрирования и выходного напряжения ЭМУ. Значения погрешно­ сти измерения тока определяются выражением

кости интегрирующего конденсатора; Де„х — изменение среднего зна­ чения помех по напряжению за время интегрирования.

Как видно из этого выражения, эквивалентное шунтирующее сопротивление определяет не только систематическую погрешность измерения тока, но и максимально допустимое значение времени интегрирования (поскольку необходимо, чтобы t<£RCПр).

Погрешность ' измерения тока измерителем с емкостным преоб­ разователем может находиться на уровне десятых долей процента.

16

факторам». Верхняя граница диапазона в реальных случаях зави­

резистора, определяется переменными составляющими помех по на­ пряжению к току, так как постоянные, составляющие помех могут быть скомпенсированы регулировкой источника Ui. Обычно не уда­

ется снизить предел измерения напряжения на резисторе ниже .1 мВ,

щения напряжения с требуемой точностью; нижний предел опреде­ ляется скоростью изменения помех по току и напряжению во вход­ ных цепях ЭМУ и интегрирующем конденсаторе. Существенное влия­ ние на выбор нижнего предела измеряемых токов оказывает также ограничение максимального времени измерения эксплуатационными условиями.

При измерениях с емкостным преобразователем тока , в напря­ жение целесообразно скомпенсировать постоянную составляющую помех по току путем подачи на вход ЭМУ тока от каких-либо (ре­ зистивных, ионизационных и т. п.) встроенных источников.

Погрешность интегрирующего измерителя тока при рациональ­ ном выполнении входных цепей ЭМУ и интегрирующих кондеисато- "ров может быть снижена по крайней мере на порядок по сравнению с приборами, имеющими резистивные преобразователи. Интегриру­ ющие измерители позволяют также получить большую чувствитель­ ность.

При измерении напряжений высокоомных источников измеряе­ мое напряжение U подается в цепь обратной связи ЭМУ. Очевидно,

деле измерения прибора И). Верхний предел измерителя напряже­

ния ограничивается максимальным значением выходного напряже­ ния ЭМУ, нижний — изменением среднего значения помехи по на­ пряжению во входной цепи ЭМУ за время измерения.

18

Т — погрешность индикаторного прибора.