Измеритель малых токов Советский патент 1985 года по МПК G01R19/00 

изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть Использовано для контроля выходных токов микросхем КНОП структура. . Цель йзрбретения - повьшение точности и стабильности измерений путем устранения температурной погрешности измерения. На чертеже представлена блок-схема измерителя мальве токов, .Измеритель содержит источник 1 ка либровочного напряжения, состоящий из блока 2 реле, нормального элемента 3, делителя 4 напряжения и реле 5 причем выходы делителя 4 через соот .ветствующиё реле блока 2 подключены к входу регистратора 6 выходного сиг нала и к выходу усилителя 7, резис-, торы 8 обратной связи, первые выводы которых подключены к подвижному кон такту реле 9, первьй контакт которог подключен к выходу усилителя 7, а второй контакт через нормальный элемент 3 - к первому входу делителя А, ,а через реле 5 - к второму входу де лителя 4, вторые выводы резисторов 8 через блок 10 реле подключены к входу усилителя 7 и входу устройства, компенсирукяцие резисторы 11, первые выводы которых подключены к общей шине устройства, теплопроводящий слой 12, соединякнций резисторы 11с резисторами 8, блок 13 формирования компенсирующего тока, первый вход которого подключен к выходу усилителя 7 (блок 13 состоит из последовательно соединенных квадратора 14, сумматора 15 и схемы 16 извлечения корня, причем вход квадратора 14 образует первьй вход блока 13, второй вход сумматора 15 - второй вход блока.13, а выход схемы 16 - выход блока 13), блок 17 переключающих реле, датчик 18 температуры, выход которого соединен с входом блока 19 регулятора температуры, состоящего из источника 20 опорного напряжения, вход которого образует вход блока 19 сумматора 21, усилителя 22, выход которого образует первый выход блока 19, и схемы 23 извлечения корня, пер вьй вход сумматора 21 подключен к вы ходу источника 20, второй вход - к входу блока 19, а выход через усили.тель 22 - к входу схемы 23, выход которой образует второй выход блока 19, первьй выход блока 19 подключен к второму входу блока 13, подвижные 1 62 онтакты,блока 17 подключены к вторым выводам резисторов 11, первые контакты - к выходу блока 13, вторые контакты - к второму выходу блока 19. Измеритель работает следующим образом. В режиме калибровки реле 9 подключает источник 1 калибровочного напряения в день обратной связи усилителя 7. Входным сигналом является либо ЭДС нормального элемента 3, либо напряжение, снимаемое с делителя 4 путем замыкания контакта реле 5 и соответствующего контакта реле 2. Это напряжение подается через- заданньй резистор 8 (замкнут соответствующий контакт реле 10) на вход усилителя 7. Связь между входным и выходньм сигналами определяется выражением 1 + к, петлевой коэффициент усигде к ления по току; /3 - коэффициент передачи по петле обратной связи; Ugj - напряжение, снимаемое с делителя 4, или ЭДС нормального элемента 3; и.ц - выходной сигнал усилителя 7 в режиме калибровки. Градуирование усилителя 7 приводится по известной величине ЭДС нормального элемента 3. При этом погрешт ность градуирования и измерения опре- деляется в основном погрешностью высокоомного резистора В обратной связи. . Проверка линейности усилителя 7 в пределах поддиапазона измерения осуществляется изменением величины напряжения .и , снимаемого с делителя 4 напряжения через блок 2 реле. Контроль стабильности параметров высокоомных элементов входной цепи усилителя 7 и выходной цепи источникаизмеряемого тока производится путем переключения с ромощью блока; 10 переключающих реле резисторов 8 в цепи обратной связи при включенном в эту цепь нормальном элементе 3. Так как сопротивление утечки высокоомных элементов на два-три порядка .больше максимального сопротивления резистора 8, то при переключении резистора 8 обратной связи величина не изменяется в случае стабильности параметров высокоомных элементов. Выходное напряжение U увеличи вается по мере увеличения сопротивле ния резистора 8 в случае резкого сни жения величины сопротивления утечки высокоомных элементов. В режиме измерения, когда источник 1 калибровочного напряжения в цепи обратной связи усилителя 7 отключен, входной сигнал I (постоянный ток) создает падение напряжения на резисторе 8, включенном в обратную связь при помощи реле 9 и реле 10. Это напряжение усиливается усилителем 7 и подается на регистратор 6 выходного сигнала, а также через резистор 8 обратной связи - на вход усилителя 7. Связь между входным и выходным сигналами определяется вьфажением IB., (2) 1 +К„. где R fg - сопротивление резистора 8 Для обеспечения высокой точности при измерении малых токов температура резистора 8 обратной связи поддерживается постоянной при измерении тока, протекающего через этот резистор, а также при изменении температуры окружающей среды. Условие постоянства температуры резистора 8 (а также и компенсирующего резистора 11, соединенного с резистором 8 через теплопроводящий слой 12) может быть представлено в виде t КР + t, const где t - температура резистора 8; К - коэффициент пропорциональности;Р - суммарная мощность, рассеиваемая резисторами 8 и компенсирующими резисторами 1 1 ; t, - температура окружающей среды. Рассеиваемую мощность можно разде дить на две части: мощность, рассеиваемую резистором 8 обратной связи, и мощность, рассеиваемую соответству ющим компенсирующим резистором 11. Сумма указанных мощностей +; и -падение напряжения на резисторе 8; -сопротивление резистора 8; -падение напряжения на резисторе 11; -сопротивление резистора 11, редположим, что коэффициент усия усилителя 7 равен 1, а R R, тогда из выражения (3) и получим iT R 2 - --U --- t - постоянное напряжение, определяющее температуру компенсирующего резистора 1 1 и соответствующего резистора 8. Для обеспечения условия (5) и, соответственно, (3) напряжение U. с выхода усилителя 7 поступает в блок 13 формирования компенсирующего тока на вход квадратора 14. Независимо от полярности входного сигнала квадратор 14 возводит в квадрат это напряжение (и,), которое затем поступает на один вход сумматора 15. На второй вход сумматора 15 поступает напряжение с выхода блока 19 регулятора перегрева, равное по величине и - - Алгебраическая сумма ° К указанных входных напряжений поступает на вход схемы 16 извлечения корня, осуществляющего извлечение квадратного корня из входного напряжения. Это напряжение поступает через один из замкнутьбс контактов блока 17 переключающих реле на.выбранный компенсирующий резистор 11. R Формирование напряжения -- t происходит следующим образом. С датчика 18 температуры напряже/- R 4ние (.- -- . t ), соответствующее темR / пературе окружающей среды, поступает на первый вход сумматора 21 блока 19 регулятора перегрева. При этом напряжение иI устанавливается на выходе источника 20 опорного напряжения и поступает на второй вход.сумматора 21. Алгебраическая сумма входных напряжений сумматора, соответствующая температуре резистора 8 с учетом температуры окружакщей среды, усиливается усилителем 20 и поступает в блок 13.

Таким образом, на первый вход блбка 13 формирования компенсирующего тока поступает напряжение U, с вькода усилителя 7, а на второй вход напряжение с выхода блока 19 регулятора перегрева. Блок 13 осуществляет возведение в квадрат напряжения, поступающего на его первый вход, алгебраическое суммирование полученного напряжения с напряжением, поступающим на его второй вход, и извлечение квадратного корня из полученной алгебраической суммы.

В результате на выходе блока 13 устанавливается напряжение U , соответствующее формуле (5), и выполняется условие (1).

Рассмотрим теперь влияние мощности Р рассеиваемой остальными компенсирующими резисторами 11, которые соответствуют резисторам 8, не включе,нным в цепь обратной связи при данном измерении.

Чтобы выполнялось условие (3) для каждой пары резистор 8 обратной связи - соответствующий компенсирующий резистор 11, необходимо выполнение условия (4) при Uf 0. Тогда напряжение U на компенсирующих резисторах должно быть

.. и -Vo - -|- t7

Taxfoe напряжение вырабатывается блоком 19 регулятора и снимается с его второго выхода. Это напряжение полу чается путем извлечения квадратного корня из напряжения U - - t,, поступающего с выхода усилителя 22, схемой 23 извлечения корня.

Таким образом, в случае, когда нет напряжения тока (ток через измерительный резистор 8 не протекает напряжение U 0. Из формулы (5) .следует, что напряжение на компенсирующем резисторе 11 максимально, т.е. этот резистор выделяет максимальную мощность, и перегрев по отношению к температуре окружающей среды резисторов 8 и 11 определяется только мощностью, вьщеленной резистором 11.

В режиме измерения тока через резистор 8 протекает измеряемьй ток и начинает выделяться мощность, пропорциональная квадрату напряжения на этом резисторе. В соответствии с формулой (5) напряжение на соответствующем компенсирующем резисторе 11 уменьшается таким образом, что суммарная мощность, выделяемая на резисторах 8 и 11, остается постоянной. I

При максимальном измеряемом токе и максимальной температуре окружающей среды в соответствии с (5) напряжение на компенсирующем резисторе 11 уменьшается до нуля, т.е. вес вклад и перегрев резисторов 8 и 11 выносит резистор 8 за счет протекающего измерительного тока, вследствие чего температура резисторов 8 и 11 остается постоянной.

1. ИЗМЕРИТЕЛЬ МАЛЫХ ТОКОВ по авт. св. № 661367, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности измерения, измеритель дополнительно содержит блок формирования компенсирующего тока, компенсирующие ре исторы, датчик температуры, блок переключающих реле, блок регулятора перегрева и теш.опроводящий слой, причем первый вход блока формирования компенсирующего тока подключен к выходу усилителя, второй вход - к выходу блока регулятора перегрева, а выход подключен к нормально разомкнутым контактам переключающих реле, переключающие контакты которых подключены к соответствующим конпенсирукщим резисторам, а нормально замкнутые контакты подключены к второму выходу блока регулятора перегрева, вход которого подключен к датчику температуры, при этом компенсирую- щие резисторы и резисторы обратной связи соединены через теплопроводящий слой. 2.Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок формирования компенсирующего тока содержит квадратор, сумматор и схему извлечения кврня, при этом вход квадратора подключен к первому входу блока, а выход - к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к второму входу блока, выход сумматора подключен к входу схем i извлечения корня, выход которой соединен с выходом блока. (Л С 3.Измеритель по п.1, отличающийся тем, что блок регулятора перегрева содержит источник опорного напряжения, сумматор, усилитель и схему извлечения корня, причем источник опорного напряжения подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с входом блока, выход сумматора подключен к усилителю, при этом выход усилителя подключен к первому выходу блока и входу схемы извлечения корня, выход которой подключен к второму выходу блока.