静电计6517

吉时利5½位显示的6517B提供的精度和灵敏度指标是高于其他同类型仪表。它丰富的功能使测量高阻和绝缘材料电阻率变得简单。6517B具有425读数/秒的读数率，比同类型的静电计显著的快，可以提供快速、简易的方式测量弱电流。Model6517B是一个更新版本，取代了较早型号6517A(1996年推出)。Model6517A的应用软件使用SCPI语言命令可以在Model6517B上不做任何修改的运行。不过，Model6517B较Model6517A提供了一些有益的改进和升级，其内部备份电池内存缓冲区现在可以存储多达50,000读数，使用户能够记录更长时间的测试结果，并存储更多的数据和读数。新的Model还可提供至内部缓冲器（高达425读数/秒的读数率）以及通过IEEE总线至外部存储器的更高读数率（高达400读数/秒的读数率）。一些连接器的修改已列入解决现代连接和安全要求。电阻测量可达1016Ω电流测量范围1fA-20mA最小电流量程输入压降20µV200TΩ输入阻抗3fA偏置电流高达425rdgs/s噪声0.75fAp-p内置±1kV电源独特的高电阻测量电压反接方法可选的插件式扫描卡使用静电计进行准确的高电阻测量时要考虑的最重要的问题是什么？使用静电计欧姆计使用静电计欧姆计时，测量准确度会受到各种因素的影响。以下各段讨论准确地进行高电阻测量时要考虑的最重要的问题。基本电路配置图2-33示出静电计欧姆计测量电阻（R）的情况。欧姆计使用内部的电流源和静电计电压表来进行测量。仪器自动地计算和显示出测量的电阻值。注意，这种测量方法是两线电阻测量，而使用静电计电压表和外部电流源则可以进行四线测量。这是因为电流源在仪器内部与电压表相连，不能分开使用。保护与高源内阻电压测量和电流测量时一样，在高电阻测试连接中使保护技术可以大大降低泄漏电阻的影响，并提高测量的准确度。现在考虑图2-34a所示的无保护的电阻测量设置情况。静电计欧姆计的电流激励（IR）流过未知电阻（RS），然后测量DUT上的电压（VM）。如果我们假定电压表的输入电阻为无限大，则可以由欧姆定律计算出被测电阻：然而，由于电缆泄漏电阻（RL）与RS并联，实际测量的电阻（RM）有所降低，如图2-34b的并联等效电路所示。测量出的电阻现在变为：电缆电阻（和其它泄漏电阻）的负载响应可以通过用单位增益放大器驱动电缆屏蔽层的办法来消除，如图2-34c所示。由于RL两端的电压实际上为零，现在所有的测试电流（IR）都流过RS，于是可以准确地确定未知电阻。流过电缆对地泄漏通道（RG）的泄漏电流（IG）可能相当大，但是该电流由单位增益放大器的低阻抗输出供给，而不是由电流源（IR）供给。建立时间在进行高电阻测量时，电路的建立时间特别重要。测量的建立时间受并联电容的影响，而并联电容则是由连接电缆、测试夹具和DUT产生的。如图2-35所示，并联电容（CSHUNT）必须由测试电流（IS）充电到测试电压。电容器充电所需要的时间由RC时间常数决定（一倍时间常数），并得到图2-36中大家熟悉的指数曲线。这样就需要等待4倍到5倍时间常数的时间才达到准确的读数。在测量很高阻值的电阻时，依据测试系统中并联电容的数值，建立时间可能会达到几分钟。例如，如果CSHUNT仅为10pF，测量1TΩ的电阻时，时间常数为10秒。因此，为使读数稳定到与其最终值相差1%，就需要50秒的建立时间。在测量高阻值电阻时，为了尽量减小建立时间，使连接电缆尽可能地短，以便使系统中的并联电容实际上达到可能的最小值。此外，使用保护技术可以大大降低建立时间。最后，由于减小了建立时间，所以采用加电压测电流的方法测量电阻一般比较快。利用静电计采用用恒压或恒流的方法测量大于1GΩ的高电阻？恒压法测量高电阻，需要使用一台能够测量弱电流的仪器和一台直流恒压源。有些静电计和皮安计具有内置的电压源，能够自动地计算出未知电阻。使用静电计和皮安计的恒压法的基本电路配置如图2-30a所示。而图2-30b则示出了使用SMU，采用恒压法进行高电阻测量的情况。在此方法中，恒压源（V）与未知电阻（R）和安培计（IM）相串联。由于安培计上的电压降可以忽略，所以所有的测试电压都出现在电阻R上。由安培计测量产生的电流，再使用欧姆定律计算出电阻（R=V/I）。高电阻通常是所加电压的函数，所以恒压法比恒流法要优越。在选定的电压下进行测量，就可以得到电阻与电压的曲线，并可以决定“电阻的电压系数”。采用这种方法的应用工作包括测试两端高阻器件、测量绝缘电阻、确定绝缘材料的体电阻率和表面电阻率等。恒压法需要测量弱电流，所以第2.3节（弱电流测量）介绍的各种技术和误差来源都适用于这种方法。测量高电阻时两个最常见的误差来源是静电干扰和泄漏电流。如第2.6.2节所介绍，将高阻抗电路屏蔽可以尽量降低静电干扰的影响。采用第2.3.1节介绍的保护技术可以控制泄漏电流的影响。采用恒流法，可以使用静电计电压表和电流源或者只使用静电计欧姆计来测量高电阻。也可以使用具有高输入阻抗的电压表和微电流源的SMU来进行测量。使用带有分立的电流源的静电计电压表或SMU时，用户能够进行四线测量并控制流过样品的电流。静电计欧姆计依据测量的量程，在规定的电流下，进行两线电阻测量。使用静电计电压表和外部电流源恒流源法的基本电路配置如图2-31所示。电流源的电流（I）流过未知电阻（R），并由静电计电压表测量其电压降（V）。用这种方法可以测量高达1012Ω的电阻。虽然基本方法看起来非常简单，但是必须采取一些预防性的措施。电压表的输入阻抗与源电阻相比必须足够高，以便使负载误差保持在可以接受的水平。通常静电计电压表的输入阻抗大约为1014Ω。而且，电流源的输出电阻必须比未知电阻大得多，才能使测量为线性。样品两端的电压决定于样品的电阻，因此在使用恒流法时，难于考虑电压系数的问题。如果关心电压系数，最好使用恒压法。静电计电压表和分离的电流源可以在采用四点探头法或vanderPauw法测量半导体材料的高电阻率时使用。如何应对测试系统中引起电流测量误差的内外部偏置电流？测试系统中任何额外产生的电流都会加到被测电流中去而引起误差。这种电流可以在内部产生，如仪器的输入偏置电流；也可以从外部而来，如来自绝缘子和电缆。偏置电流可以在仪器内部产生（输入偏置电流），也可以由外部电路产生（外部偏置电流）。①输入偏置电流当输入端开路时，理想安培计的读数应当为零。然而，实际的安培计在输入端开路时的确有一些小的电流。这种电流称为输入偏置电流，是由有源器件的偏置电流以及流过仪器内部的绝缘子的泄漏电流所引起的。皮安计、静电计和SMU中产生的偏置电流在仪器的技术指标中给出。如2-17所示，输入偏置电流叠加到被测电流上，所以仪表测量的是两个电流之和：IM=IS+IOFFSET输入偏置电流可以通过盖上（capping）输入连接器并选择最低的电流量程来决定。用大约5分钟的时间使仪器达到稳定，然后读取读数。该读数应当在仪器的技术指标之内。从测量结果中减去输入偏置电流的另一种方法是使用安培计的相对（REL或ZERO）功能。在开路的情况下使读数达到稳定，然后打开REL功能。建立REL值以后，以后的读数就都是实际输入值和该REL值之差。②外部偏置电流外部偏置电流可以由与安培计相连的绝缘体上的离子沾污产生。这种偏置电流也可以由摩擦电效应和压电效应等原因在外部产生。如图2-18所示，外部偏置电流也加到源电流上，仪表显示的也是这二者之和。外部偏置电流可以用仪器的电流抑制功能(如果有此功能的话)来消除，也可以用一个比较稳定、安静的外部电流源来消除，如图2-19所示。采用这种方法时，仪表测量的电流为：IM=IS+IOFFSET-ISUPPRESS如果IOFFSET和ISUPPRESS大小相等、极性相反，则：IM=IS采用外部电流源的好处是IOFFSET可以等于甚至大于仪器满量程之值,只要IOFFSET-ISUPPRESS比较小即可。验证静电计功能的简单测试方法所有的测量仪器都需要定期地重新校准，通常每年一次。对于仪器的功能我们希望能够更经常地检查。下面介绍验证静电计功能的简单测试方法。电流功能首先，打开电源，按照维修手册中规定的时间对仪表进行预热。然后，在输入连接器上安放一个屏蔽盖，并将低阻抗输入端连到地。应当将零点检查打开。接着将仪表设到其最灵敏的电流量程，进行消零操作，然后关闭零点检查开关。几秒钟之后，仪表的读数应当稳定到几个字之内。这时指示的电流就是输入偏置电流。如果其数值超过仪器的技术指标25%或者更高的话，使仪器整夜通电，并重复进行测试。如果该电流仍然超过技术指标，则仪器应当进行修理。安培计的输入端绝对不应短路，因为这样将会没有负反馈。这虽然不会造成损坏，但其结果没有意义。伏特功能可以用一节手电筒电池或9V电池对电压功能进行粗略的检查。（并确认检查双极性）欧姆功能可以使用任何电阻器检查欧姆功能，但是最好使用阻值尽可能高的电阻器。库仑功能库仑功能可以用低漏电的电容器和电压源来检查。可以用手电筒电池将100pF到1000pF的已知容量电容器充电到已知电压。将静电计设置到库仑功能并关闭零点检查开关，然后将该电容器连到静电计的输入端。反之，也可以用这种方法来确定电容器的电容数值有些静电计具有两个模拟输出：一个为2V的模拟输出，另一个为前置放大器，或单位增益输出。2V模拟输出用于连接记录仪，而前置放大器用于缓冲、保护和外部反馈。本节讨论这些输出以及使用这些输出时可能出现的负载误差。2V模拟输出满度输入信号的典型模拟输出为2V。依据仪器设计与功能的不同，该输出可能是反向的或同向的。输出电阻在1W到10kW的范围。连到此输出端的任何设备，如波形计录仪或示波器都具有有限的输入电阻，并会使模拟输出有所衰减。详细情况请参见“负载误差”一节。前置放大器输出前置放大器输出跟踪加到静电计输入端的信号幅度。前置放大器输出是电压和欧姆（仅限恒流法）测量功能的保护电压输出。此信号对于缓冲输入信号很有用。依据所选择的功能，此信号可以是反向的或同向的。负载误差虽然典型模拟输出的输出电阻很低，但不是零。所以要考虑外部仪器可能的负载效应。原则上说，模拟输出负载效应的概念和第2.2.1节讨论的源的负载效应是一样的。图2-57说明负载如何影响模拟输出的准确度。被测电压（VS）加到静电计的输入端。该信号经过输出电阻为R0的放大器（A）放大，然后接到记录设备上。记录设备的输入电阻（RL）和模拟输出电阻（R0）形成一个分压器，并使输出信号衰减。在典型模拟输出电阻为1kΩ时，记录设备的输入电阻至少必须为1MΩ才能使负载引起的误差小于0.1%。此误差可以用图2-57中所示的公式计算。内部的偏置电压和零点飘移减小的解决办法内部的偏置当输入端没有施加电压时，纳伏表和纳伏前置放大器很少会指示零读数。这是因为在仪器的输入端不可避免地存在着电压偏置。仪器的输入端子之间用一个“短路头”连接，其输出到仪表的输入即为零，也可使用仪器前面板上的消零控制或者用计算机控制来置零。如果输入端的短路点具有很低的热电动势，用这种方法就可以验证输入噪声和零点随时间的漂移。输入端短路通常适合采用干净的、纯铜的导线来实现。然而，用这种方法得到的零点只能用于校验的目的，而不适合用在仪器的最终应用中。如果用仪器来测量电流流过一个电阻器所产生的小电压降，那么采用下述的方法可以得到合适的零点。首先，将仪器按规定的时间进行预热，通常要预热1-2个小时。在此期间，应在被测设备和仪器之间进行连接，并不让电流流经被测的设备，以便使其温度梯度达到最小、稳定水平。接着应当进行消零操作。在有些仪器上，此项操作是通过按REL（相对）或者ZERO按键来完成的。现在仪器的读数应当为零。当施加测试电流时，仪器就会指示出产生的电压降。在某些应用场合，被测电压总是存在的，所以不能使用上述的方法。例如，测量两个标准电池电压差的最好的方法是将仪器到标准电池的连接线反向再作一次测量，然后对两次测量的读数进行平均。在测量差动热电偶的输出时，也可以采用同样的方法来消除偏置电压。这种方法和