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静电计进行电荷测量时特别容易受到几种误差源的影响,其中包括:输入偏置电流与输入端压降和产生电流和低的源阻抗等。
输入偏置电流
静电计的输入偏置电流是很低的。然而,在低电荷的情况下,即使这样小的电流也是很大的误差因素。在长时间内,仪器将对偏置电流进行积分,其结果就形成了电荷测量中的长期漂移。典型的偏置电流是4fA,在电荷测量中这将会引起每秒4fC的电荷变化。如果偏置电流为已知,只要从实际读数中减去由偏置电流引起的电荷漂移就能对其进行补偿。然而,确定整个系统的偏置电流可能很困难。
输入端压降
就象反馈皮安计一样,反馈库仑计的输入端压降一般也是很小的(<100μV)。然而,如果瞬时峰值电流大于10μA,输入端压降可能在瞬间超过这个电压值。根据输入的不同,在过载的条件下,输入端压降可能达到若干伏。
如果源电压至少为10mV,那么工作在库仑模式的典型静电计能够准确地对电流进行积分。如果源电压低得多的话,输入端压降就可能成为问题,仪器输入级的噪声会被放得很大,于是就不可能进行准确的测量。
产生电流
由输入电缆引起的产生电流和由于屏蔽不够完善引起的感应电流能够在电荷测量中引起误差,特别是在电荷量为100pC或更低时尤为明显。为了尽量降低产生电流,使用低噪声电缆并对所有的连接和DUT进行静电屏蔽。
源阻抗
源阻抗的大小能够影响反馈库仑计的噪声性能。图2-37示出连至源阻抗的一般反馈电路。在库仑计中反馈电路为电容器。由此图看出,库仑计的噪声增益可以按下式计算:
输出噪声=输入噪声×(1+ZF/ZS)
其中:ZS为源阻抗,
ZF为库仑计的反馈阻抗,
输入噪声是静电计输入级的噪声。一般来说,ZF变大噪声增益也变大。特定仪器反馈阻抗的数值请参见该静电计的手册或技术指标。
零点检查
与电压测量不同,电荷测量可能是破坏性测量,换言之,进行测量的过程可能会消除被测器件中储存的电荷。
在测量一个器件,如电容器上的电荷时,重要之点是要首先关闭静电计的零点检查功能,然后再将电容器连到高阻抗输入端。否则,一部分电荷就会通过零点检查阻抗损失,而不能为静电计所测量。这是因为当零点检查功能打开时,静电计的输入电阻大约为10MΩ。
打开零点检查开关将会引起电荷读数的突然变化,称为“零跳”。为了消除零跳的影响,在零点检查开关刚刚关闭之后读取一个读数,然后,将此读数从以后的所有测量读数中减去。为做到这一点,简单的做法是,在零点检查关闭之后打开REL功能,这样就能把零跳的读数消除掉。
外部反馈
大多数静电计的电荷测量范围可以用外部反馈来扩展。外部反馈模式允许使用外部器件来作静电计的反馈元件。将静电计置于电压模式,然后打开外部反馈,就把反馈电路从内部网络切换到连在
前置放大器输出端的外部反馈网络上。
为了扩展库仑测量范围,使用外部电容器作为反馈元件。
如图2-38所示,外部反馈电容器连在
前置放大器输出端和静电计的HI输入端之间。为避免静电干扰,该电容器应放在一个屏蔽的测试夹具内。
在外部反馈模式下,静电计显示反馈元件上的电压。未知电荷可以由下式计算:
Q=CV
其中:Q=电荷(库仑)
C=外部反馈电容器的电容(法拉)
V=静电计上显示的电压(伏)
例如,使用10μF的外部反馈电容器,静电计显示的测量电压为5V,则计算出的电荷为50μC。
反馈元件的电容必须至少为10pF,以避免由于寄生电容和噪声增益引起的误差。
为了保证低泄漏电流和低介电吸收,反馈电容器应当由合适的
介电材料(如聚苯乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯)制成。
有关测量方法的更详细的信息可以在静电计的操作手册中找到。
至此,我们已经讨论了专门针对电压、电流、电阻和电荷测量所要考虑的问题。以下各段考察所有类型的静电计和SMU在测量高阻源时要考虑的问题
恰当的连接
为了避免测量误差,关键之点在于将静电计、SMU或皮安计和被测装置进行适当的连接。总是要把仪表的高阻端和被测电路的最高电阻点相连。图2-39所示为静电计和由电压源及电阻器串联组成的电流源相连接。交流供电的源通常具有很高电平的电源频率共模电压(常常有几伏)。如图2-40所示,这将会引起电流(i)流过静电计(IM)的低端到地的电容。此电路连接恰当,该电流不流过静电计的
测量电路,所以不产生任何测量误差。然而,如果静电计的HI端连到电源的低阻端,则该交流电流(i)就流过静电计(IM),如图2-41所示。此电流就可能影响测量的准确度,在低信号电平时尤为显著。有关静电计测量时恰当的电缆和连接器类型的详细情况,请见第2.6.6节。