低电平测量手册

序电子测量技术是现代信息技术的基础。在信息产业链中，测量技术、通信技术和计算机技术分别完成了信息的采集、传输和处理，使其在推动国民经济高速增长，促进传统工业现代化的过程中起到了决定性的作用。因此我们将电子测量技术与仪器称为其他关联产业发展的催化剂、倍增器和战斗力。电流、电压和电阻是国际量值体系(S1)中的三个重要参量单位，其与人类科学技术的发展密不可分，同时也是电子测量技术和仪器的基本研究对象。当电流、电压信号的量值小到一定程度，比如纳伏、皮安时，对它们的准确测量就变得非常的复杂困难。然而科学技术的进步又要求必须对这种微弱的信号进行精确的捕捉和测量，例如航空航天测控、半导体集成电路的测试、新型材料的研究、以及生命科学发展所需的分析测试等等。为此一代又一代的科学家和工程技术人员在茫茫噪声的大海中探索、搜寻，目的就是使仪器可测量的灵敏度越来越高，对被检测信号的分辨能力越来越强，以至于逼进其物理极限值。众所周知，美国Keithley公司在微弱信号测量领域堪称一绝，具有数十年来积累下的深厚理论功底和丰富实践经验，其不仅制造出了全系列的高技术产品，而且为业内人士贡献了“低电平测量手册”一书。该手册自1972年面世，至今已出到了第六版。该手册避免了繁杂的数学推导，完全从测试中的实际问题出发，深入浅出地让读者了解到如何正确地进行低电平测量，以达到对微弱电信号进行捕获和定量分析的目的。手册中不仅有比较严谨的测量术语的定义，还有具体的消除或避免测量误差的方法与应用实例，可以让读者一目了然，非常实用；可称为是现学现用、立竿见影的范例。应广大读者和用户要求，我们组织翻译、出版了“低电平测量手册”的中文版，目的就是让更多的从事弱小信号测量的工程技术人员能更直接、更迅速地理解这本手册中的理念和方法、并应用其中提出的方案以解决测试实践中的问题。“低电平测量手册”第1章和全部插图由崔建平翻译，第2、3、4章由汪铁华翻译，全书经戚继明、王中武校对。鉴于时间仓促，水平有限，手册中文版的缺点、错误在所难免，望读者阅读后多提宝贵意见，以便今后再版时更正。在此感谢美国吉时利(Keithley)仪器公司北京办事处对本书翻译、出版提供的帮助。希望“低电平测量手册”中文版的出版为所有关心它的读者带来预期的帮助和收益。崔建平2005年9月18日译者简介崔建平先生1975年毕业于北京工业大学无线电系。高级工程师、中国电子学会高级会员。历任北京无线电技术研究所技术员、工程师、研究室主任、所长助理、副所长，美国AMERITEC公司中国首席代表，《电子测量与仪器学报》总编。三十年来一直从事电子测量仪器及计算机通信系统测试等领域技术研发和管理工作。汪铁华先生1964年毕业于北京大学无线电电子学系。教授级高级工程师、中国电子学会高级会员。1980年教育部派赴加拿大访问学者。北京市有突出贡献专家，1991年荣获首批国务院政府特殊津贴。多年来从事数字式电子测量仪器、微型计算机方面的研制工作及相关领域的专业技术英语口译、笔译工作。戚继明先生生于1931年，江苏无锡人。学历：大学本科。主要从事于俄文与英文翻译、电子测量与仪器情报分析和研究。1982年创办《国外电子测量技术》杂志,任主编至2005年。1987年创办《电子测量与仪器学报》，现任常务副社长兼副总编。90年代先后编著出版了《英汉电子测量技术词汇》和《现代英汉电子测量与仪器技术词汇》,分别由宇航出版社和电子工业出版社出版。为推动我国电子测量技术的发展作出了贡献。王中武先生1987年毕业于北京大学无线电电子学系，后在中国计量科学研究院获理学硕士。资深市场营销人员，现任美国吉时利仪器公司中国区市场经理。王中武先生于1990在中国计量科学研究院工作，任技术工程师，1994年加盟吉时利仪器公司做销售代表，后任区域营销经理，通讯市场销售经理，中国区营销经理等职位，有多年的市场营销经验。在微弱信号测量方面有许多经验，在全国许多城市、大学及研究所进行过微弱信号测量方面的讲座和技术交流会。附录A低电平测量故障诊断指南测量类型和典型应用误差现象可能的原因如何避免低电压标准电池比对偏置电压热电动势使用铜-铜连接约瑟夫逊结阵列电压使所有的连接保持在同一温度量热计读数噪声偏大热电动势同上热电动势磁场干扰使用双绞线连接继电器/连接器接点电压去除或屏蔽磁场磁电动势地回路单点接地低电流离子束/电子束电流偏置电流绝缘体漏电保护/选择好的绝缘体/很好的清洁处理隧道电流仪表的偏置电流选择皮安表/静电计元器件漏电暗电流用REL功能消去或减去光探测器电流读数噪声偏大静电耦合屏蔽、避免高电压及在附近移动绝缘体漏电/击穿振动/变形隔离房间的振动。使用低噪声电缆。使用MOS电荷泵电流高输入电容分流安培计或者增加串联电阻。使DUT、准静态电容偏置电流漂移仪表与温度都保持稳定。摩擦电、压电电流低电压时的增益误差输入端压降使用反馈式安培计。使用较高的量程。低电阻超导体电阻读数偏大引线电阻四线方法(Kelvin连接)金属电阻读数漂移热电动势脉冲式激励信号（Delta模式/偏置补偿法）裂纹增长/疲劳读数噪声偏大磁场干扰去除/屏蔽磁场搭接（Bonding）电阻使用双绞线继电器/连接器接点电阻高电阻绝缘电阻读数过低于DUT并联的夹具电阻使用绝缘电阻更高的夹具和电缆防护技术能有效地增加并联电阻PCB板、衬底或封装材料的表面绝缘电阻电压表输入电阻低使用静电计或使用加电压测电流的方法。材料的电阻率偏置电流在测试电压关闭时，抑制或用REL功能消去偏置电流。使用交替电压极性的方法。聚合物的电导率用REL功能消去或减去表面/体电阻率四探针测量读数噪声偏大静电耦合屏蔽、避免附近物体的移动或电压的变化。使用交替电压极性的方法。分布电阻共模电流将DUT的一端接地。使用模拟滤波器高源内阻测电压PH或离子选择电极读数过低（负载误差）分流电阻使用绝缘电阻更高的夹具和电缆防护技术能有效地增加并联电阻介电吸收偏置电流使用静电计FET栅极电压静电耦合屏蔽、避免附近物体的移动或电压的变化。霍尔效应电压读数噪声偏大仪器产生的波动电流使用静电计附录B电缆和连接器组件合适的电缆和连接器组件对于保持低电平测量工作的完整性是一个很重要的因素。一般地说，低电平测量工作使用三种类型的电缆：同轴电缆、三同轴电缆（triaxial）和屏蔽的双绞线。此外，电缆还常常按照低噪声或者低热电动势的要求来设计。在将低噪声的同轴电缆或三同轴电缆直接连到源或者连接到连接器组件之前，应当进行适当的准备工作，此时应当遵照如图B-1所说明的步骤：1轻轻地切去电缆的外层绝缘材料，但不得切到屏蔽层。2使用尖的针拆开屏蔽编织层。3将编织层绞合起来，并且用甲醇彻底清除所有的石墨痕迹。对于三同轴电缆来说，对内层屏蔽重复上述的步骤。4将中心导体剪成适当的长度，剥去中心导体上的绝缘材料，并且将导体端部“镀锡”。5在准备将要插入连接器的电缆时，按照所使用的特定连接器的装配说明，将电缆的编织层向后剪去。连接器应当具有很高的绝缘电阻。通常人们愿意使用聚四氟乙烯，因为这种材料能够抵御表面污染。同轴的或三同轴的电缆都有使用聚四氟乙烯作为绝缘材料的产品。注意，BNC连接器和双槽的三同轴连接器很类似，要特别注意只使用互相匹配的连接器。如果将BNC连接器和双槽的三同轴连接器配合使用，其结果将会损坏插头和插座。在适当的情况下，使用三槽的三同轴连接器就可以解决这个问题。虽然有些低电平仪器使用同轴连接器，但是大多数仪器都使用三同轴连接器。三同轴电缆具有高共模测量中所需要的接地屏蔽。一般来说，外层屏蔽连至电源地，而内层屏蔽则连至信号LO端。而且，三同轴方式的连接容易使用保护技术。在这种配置中，内层屏蔽连至保护电位，而外层屏蔽连至地。当曝露的金属处于保护电位，而保护电压大于30V有效值时，使用这种方案会存在不安全的危险。和任何绝缘器件一样，连接器的绝缘部分必须保持清洁，以免降低其泄漏电阻。避免触摸其绝缘材料。如果连接器受到污染，可以用甲醇或者蒸馏水来清洗。清洗时只能使用最纯的清洁剂，将污染物从污染区域彻底冲掉。除去所有的污染物之后，将连接器在低湿度的环境中干燥几个小时，然后再使用。附录C技术术语AbsoluteAccuracy（绝对准确度）：仪器的读数和对于公认的标准机构认可的标准具有绝对溯源性的一级标准的读数之间接近程度的度量。A/D（Analog-To-Digital）Converter（模数变换器）：用来把模拟输入信号变换成数字信息的电路。所有的数字仪表都使用A/D变换器将输入信号变换为数字信息。AnalogOutput（模拟输出）：直接正比于输入信号的输出。Assembler（分子组装器）：一种能够通过放置分子来指导化学反应的分子制造设备。通过对其编程实际上能够从比较简单的化学组件制造出任何分子结构或器件。Auto-Ranging（自动量程）：仪器自动地在各个量程之间切换，以确定给出最高分辨率的量程的能力。各个量程通常是按十进值步进的。Auto-RangingTime（自动量程时间）：对于具有自动量程能力的仪器来说，自动量程时间是从向仪器加入步进输入信号到仪器显示出结果之间的时间间隔，其中包括确定并改变到正确量程的时间。Bandwidth（带宽）：在一定的限度内能够通过或者放大的频率范围。带宽通常按-3dB（半功率）点来规定。BiasVoltage（偏置电压）：在测试时，加到电路或器件上用来建立器件的参考电平或者工作点的电压。Capacitance（电容）：在电容器或者由导体和介电材料组成的系统中，当导体之间存在电位差时，能够储存电气上分离的电荷的性质。电容与电荷及电压的关系为：C=Q/V，其中C为以法拉为单位的电容，Q为以库仑为单位的电荷，V为以伏特为单位的电压。CarbonNanotube（碳纳米管）：由单层碳原子形成的、具有新的电学和张力性质的管状纳米器件。这种纤维可能表现出象铜那样高的导电性,，象金刚石那样的导热性，其强度比钢高100倍，而重量却只有钢的六分之一，能够承受很高的应变而不会损坏。这种材料可以是超导体、绝缘体、半导体或者导体（金属）。非碳的纳米管通常称为纳米线，通常由氮化硼或者硅生成。Channel（switching）（通道与开关）：开关卡上若干个信号通道之一。对于扫描器或多路选通卡来说，在测量电路中通道用作开关输入，在源电路中通道用作开关输出。在开关卡上，每个通道与其它的通道独立。在矩阵卡上，通道则由行列交叉点上的继电器的动作而形成。CoaxialCable（同轴电缆）：由两个或者多个互相绝缘的同轴柱形导体形成的电缆。最外层导体通常为大地端。Common-ModeRejectionRatio（CMRR）（共模抑制比）：仪器对于其输入端对地的公共电压干扰的抑制能力。通常用给定频率下的分贝数来表示。Common-ModeCurrent（共模电流）：在仪器的输入低端和机箱地之间流过的电流。Common-ModeVoltage（共模电压）：在仪器的输入低端和仪器大地之间的电压。ContactResistance（接触电阻）：当继电器或者连接器的接点闭合或接触时，其接点之间以欧姆为单位的电阻。Contamination（沾污）：通常用来说明不希望的物质对半导体或绝缘体的物理、化学、或电学性质的不良的影响。D/A（Digital-To-Analog）Converter（数模变换器）：用来把数字信息变换成模拟信号的电路。在很多的仪器中都使用数模变换器来提供隔离的模拟输出。DielectricAbsorption（介电吸收）：以前充电的电容器在瞬时放电以后，剩余储存电荷的效应。DigitalMultimeter（DMM）（数字多用表）：将模拟信号变换成数字信息并进行显示，测量电压、电流、电阻、或其它电参数的电子仪器。Drift（漂移）：输入信号或者工作条件不变时，读数的逐渐变化。DryCircuitTesting（干电路测试）：为了不影响被测器件的氧化层或者使其发生其它性能下降，保持器件两端的电压为一定电平（例如20mV）的测量过程。ElectrochemicalEf