Prądy upływu i ekranowanie

Prądy upływu powstają wskutek istnienia przypadkowych ścieżek rezystancyjnych (ang. stray resistance paths) między układem pomiarowym a pobliskimi źródłami napięcia i mogą znacząco popsuć dokładność pomiaru małych prądów. Aby je zredukować należy używać izolacji dobrej jakości, zmniejszyć wilgotność w miejscu prowadzenia pomiarów oraz stosować odpowiednie ekranowanie aktywne. Ekranowanie pozwoli też zmniejszyć wpływ pojemności bocznikującej (ang. shunt capacitance) w obwodzie pomiarowym.
Używanie izolatorów dobrej jakości, np.: teflonu, polietylenu czy szafiru przy budowie układu testowego jest jednym ze sposobów redukcji prądów upływu. Należy unikać materiałów takich jak związki fenolu (fenoplasty) i nylon.
Wilgotność również może źle wpłynąć na wyniki pomiarów niskich prądów. Różne rodzaje izolatorów absorbują różną ilość wody z powietrza, najlepiej używać takich, na których para wodna nie osadza się w formie ciągłej warstewki. Czasami nie da się uniknąć tego, że mierzony materiał łatwo absorbuje wodę i w takim przypadku najlepiej jest przeprowadzać pomiary w pomieszczeniu, w którym warunki środowiskowe można kontrolować. W niektórych przypadkach izolator może też być zanieczyszczony jonami, co może z kolei skutkować fałszywymi prądami, zwłaszcza przy wysokiej wilgotności.
Ekranowanie (ang. guarding) jest bardzo efektywną metodą ograniczania prądów upływu. Ekran (guard) jest punktem w układzie o niskiej impedancji, którego potencjał jest prawie równy potencjałowi przewodu o wysokiej impedancji, który jest ekranowany.

Szumy i rezystancja źródła

Rezystancja wejściowa mierzonego urządzenia czy materiału (ang. Device Under Test, DUT) ma wpływ na szumy amperomierza sprzężenia zwrotnego (ang. feedback ammeter) – ze spadkiem tej rezystancji wzmocnienie szumowe amperomierza rośnie.

Rys. 4. Uproszczony model amperomierza sprzężenia zwrotnego

Rysunek 4 pokazuje uproszczony model amperomierza sprzężenia zwrotnego. R_S i C_S oznaczają rezystancję i pojemność źródła, V_S to napięcie źródła, a V_NOISE to napięcie szumów amperomierza. R_F i C_F oznaczają z kolei rezystancję i pojemność sprzężenia zwrotnego. Wzmocnienie szumowe układu można wyrazić następującym równaniem:

Zauważmy, że ze spadkiem wartości R_S, szum wyjściowy wzrasta. Dla przykładu, gdy R_F=R_S, szum wejściowy jest mnożony przez 2. Zbyt niska rezystancja źródła może pogarszać (zwiększać) szumy, więc zwykle producent podaje minimalne zalecane wartości tej rezystancji, dla różnych zakresów pomiarowych. W tabeli 1 zestawione są przykładowe wartości zalecanej minimalnej rezystancji źródła dla różnych zakresów pomiarowych typowego amperomierza.

Tab.1. Zalecana minimalna rezystancja źródła sygnału dla typowego amperomierza typu feedback ammeter

Warto zauważyć, że zalecana rezystancja źródła zmienia się z zakresem pomiarowym, ponieważ wartość R_F jest różna dla różnych zakresów. Aby dowiedzieć się, jaka jest prawidłowa zalecana minimalna rezystancja źródła dla używanego przyrządu, należy się posiłkować instrukcją użytkownika.

Pojemność źródła
Pojemność badanego źródła sygnału również ma wpływ na parametry szumowe amperomierza ze sprzężeniem zwrotnym. Generalnie, ze wzrostem tej pojemności wzrasta jego wzmocnienie szumowe.
Aby zobaczyć, jak zmiany pojemności źródła sygnału mogą wpływać na wzmocnienie szumowe, jeszcze raz posłużymy się uproszczonym modelem amperomierza z rysunku 4. Tym razem, interesującymi nas elementami są pojemność źródła (C_S) oraz pojemność sprzężenia zwrotnego (C_F). Biorąc pod uwagę pojemnościowy charakter reaktancji tych elementów, podany wcześniej wzór określający wzmocnienie szumowe przyjmie postać:

Z_F oznacza impedancję sprzężenia zwrotnego, złożoną z R_F i C_F, a Z_S impedancję źródła, na którą składają się R_S i C_S:

Zauważmy, że ze wzrostem wartości pojemności C_S, impedancja Z_S maleje, co skutkuje zwiększeniem wzmocnienia szumowego. Podobnie jak w poprzednim przypadku dla Z_S=Z_F szum wejściowy jest wzmacniany dwukrotnie.
Większość pikoamperomierzy ma zalecaną maksymalną wartość pojemności CS. Mimo iż zwykle można dokonać pomiaru przy wyższej pojemności źródła sygnału, wstawiając szeregowo z wejściem amperomierza rezystor, trzeba pamiętać, że taki rezystor zwiększa napięcie błędu VS o I_WEJ*R_SZEREGOWE. Każda rezystancja szeregowa zwiększa też stałą czasu RC pomiaru. Rezystor taki można jednak zastąpić diodą lub parą diod połączonych równolegle anodami (back-to-back). Do takiego zastosowania można wykorzystać diody małosygnałowe, powinny one być zamknięte w obudowie światłoszczelnej.

Pływanie zera (zero drift)
Pływanie, pełzanie lub dryft zera (ang. zero drift) to zjawisko polegające na powolnych zmianach poziomu zera (konkretnie: zmianach napięcia niezrównoważenia, ang. zero offset) w stosunku do poziomu kalibracji (niezrównoważenie jest kompensowane) przy braku sygnału wejściowego. O ile pływanie zera nie jest korygowane, wynikowa odchyłka dodawana jest do wyniku pomiaru powodując błąd. Odchyłka ta jest zwykle opisywana jako funkcja czasu i/lub temperatury, a jej wartość w zadanym czasie i zakresie temperatury zawiera się w określonym przedziale tolerancji. W razie skokowych zmian temperatury, odchyłka może chwilowo, przez stabilizacją, przekraczać wyspecyfikowane granice. Typowe, pokojowe zmiany temperatury (1°C/15 minut) nie powinny spowodować takiego przekroczenia.
Większość elektrometrów jest wyposażona w środki służące do walki z pływaniem zera. Przełącznik ZERO CHECK, używany w wielu elektrometrach i pikoamperomierzach do wyświetlania wewnętrznych napięć kompensujących, pozwala na szybkie sprawdzenie i dostosowanie poziomu zera wzmacniacza. Zwykle przyrząd jest korygowany, gdy ZERO CHECK jest aktywny. Może być konieczne przeprowadzanie procedury korekcji okresowo, zależnie od warunków środowiskowych. Elektrometry dokonują jej przy naciśnięciu stosownego przycisku lub na komendę podaną z komputera.
Warto zauważyć, że w pikoamperomierzach oraz amperomierzach elektrometrycznych funkcje ZERO CHECK i ZERO CORRECT są używane do korekcji wewnętrznych odchyłek napięcia, a funkcje SUPPRESS i REL – do korekcji zewnętrznych odchyłek prądu. Aby osiągnąć optymalną dokładność, warto zerować przyrząd w zakresie, w którym ma być wykonany pomiar.