Kỹ thuật đo điện áp thấp

Giới thiệu

Thiết bị điện tử đang tiếp tục thu hẹp khi người tiêu dùng đòi hỏi các sản phẩm nhanh hơn, nhiều tính năng hơn trong các hệ số hình thức ngày càng nhỏ hơn. Do kích thước nhỏ, các linh kiện điện tử này thường có khả năng xử lý điện năng hạn chế. Do đó, khi mô tả đặc điểm điện của các linh kiện này, các tín hiệu thử nghiệm cần phải nhỏ để tránh hỏng hóc linh kiện hoặc các hư hỏng khác.

Việc thử nghiệm các thiết bị và vật liệu này thường bao gồm việc thực hiện các phép đo điện áp thấp. Điều này bao gồm việc cung cấp dòng điện đã biết, đo điện áp kết quả và tính toán điện trở. Nếu thiết bị có điện trở thấp, điện áp kết quả sẽ rất nhỏ và cần hết sức cẩn thận để giảm điện áp bù và nhiễu, thông thường có thể bỏ qua khi đo mức tín hiệu cao hơn.

Ngay cả khi điện trở không bằng 0, điện áp cần đo thường rất nhỏ do chỉ cần cung cấp dòng điện nhỏ để tránh làm hỏng thiết bị. Giới hạn công suất này thường khiến việc mô tả đặc điểm điện trở của các thiết bị và vật liệu hiện đại trở nên rất khó khăn.

Bài viết này thảo luận về các kỹ thuật loại bỏ điện áp nhiệt điện để cho phép đo điện trở chính xác hơn, bao gồm phương pháp đo delta ba bước cho các ứng dụng công suất thấp/điện áp thấp. Ngoài ra, nó còn trình bày phương pháp thực hiện chính xác các phép đo độ dẫn điện khác biệt.

Đo điện áp mức thấp

Có nhiều yếu tố khiến việc đo điện áp thấp trở nên khó khăn. Ví dụ, nhiều nguồn nhiễu khác nhau có thể cản trở việc giải quyết điện áp thực tế và điện áp nhiệt điện (EMF nhiệt điện) có thể gây ra độ lệch lỗi và trôi trong các phép đo điện áp.

Trước đây, có thể chỉ cần tăng dòng điện thử nghiệm cho đến khi điện áp phản hồi của DUT lớn hơn nhiều so với các lỗi này, nhưng với các thiết bị nhỏ hơn ngày nay, điều này không còn khả thi nữa. Dòng điện thử nghiệm tăng có thể khiến thiết bị nóng lên, thay đổi điện trở của thiết bị hoặc thậm chí phá hủy thiết bị. Chìa khóa để có được các phép đo chính xác và nhất quán là loại bỏ lỗi.

Đối với các ứng dụng đo điện áp thấp, lỗi như vậy chủ yếu bao gồm nhiễu trắng (nhiễu ngẫu nhiên trên tất cả các tần số) và nhiễu 1/f. Điện áp nhiệt điện (thường có phân phối 1/f) được tạo ra từ sự chênh lệch nhiệt độ trong mạch.

Điện trở được tính bằng Định luật Ohm; nghĩa là, điện áp DC đo được trên thiết bị chia cho dòng điện kích thích DC sẽ tạo ra điện trở. Các giá trị điện áp sẽ là tổng của điện áp cảm ứng trên thiết bị (VR), điện trở tiếp xúc và chì (Vlead res), các đóng góp nhiễu 1/f khác (nhiễu V1/f) và nhiễu trắng (nhiễu Vwhite) và điện áp nhiệt điện (Vt).

Sử dụng bốn dây dẫn riêng biệt để kết nối vôn kế và nguồn dòng điện với thiết bị sẽ loại bỏ điện trở dây dẫn, vì vôn kế sẽ không đo được độ sụt điện áp trên các dây dẫn nguồn. Việc triển khai lọc có thể làm giảm nhiễu trắng nhưng sẽ không làm giảm đáng kể nhiễu 1/f, điều này thường đặt mức nhiễu nền khi đo.

Điện áp nhiệt điện thường có đặc tính 1/f. Điều này có nghĩa là có thể có độ lệch đáng kể và càng thực hiện nhiều phép đo thì độ trôi càng lớn. Khi kết hợp lại, độ lệch và độ trôi thậm chí có thể vượt quá VR, điện áp trên DUT do dòng điện được áp dụng gây ra. Có thể giảm điện áp nhiệt điện bằng các kỹ thuật như xây dựng mạch toàn bộ bằng đồng, cách nhiệt, kiểm soát nhiệt độ chính xác và vệ sinh tiếp điểm thường xuyên.

Bất kể thực hiện các bước nào để giảm thiểu điện áp nhiệt điện, thì cũng không thể loại bỏ chúng. Sẽ tốt hơn nếu có một phương pháp cho phép đo điện trở chính xác ngay cả khi có điện áp nhiệt điện lớn, thay vì nỗ lực để giảm thiểu chúng.

Phương pháp Delta để đo điện trở

Một cách để loại bỏ điện áp nhiệt điện không đổi là sử dụng phương pháp delta trong đó các phép đo điện áp được thực hiện trước tiên ở dòng điện thử nghiệm dương sau đó ở dòng điện thử nghiệm âm. Có thể sử dụng một kỹ thuật đã sửa đổi để bù cho các điện áp nhiệt điện thay đổi. Trong ngắn hạn, độ trôi nhiệt điện có thể được xấp xỉ như một hàm tuyến tính.

Sự khác biệt giữa các phép đo điện áp liên tiếp là độ dốc hoặc tốc độ thay đổi điện áp nhiệt điện. Độ dốc này là hằng số, vì vậy nó có thể bị hủy bỏ bằng cách thay đổi nguồn dòng điện ba lần để thực hiện hai phép đo delta – một ở bước âm và một ở bước dương.

Để phép xấp xỉ tuyến tính có giá trị, nguồn dòng điện phải thay đổi nhanh chóng và vôn kế phải thực hiện các phép đo điện áp chính xác trong khoảng thời gian ngắn. Nếu đáp ứng các điều kiện này, kỹ thuật delta ba bước sẽ tạo ra phép đo điện áp chính xác của tín hiệu mong muốn mà không bị ảnh hưởng bởi độ lệch và độ trôi nhiệt điện.

Phân tích toán học cho một chu kỳ delta ba bước sẽ chứng minh cách kỹ thuật này bù cho các chênh lệch nhiệt độ trong mạch, do đó giảm lỗi đo lường.

Dòng điện thử nghiệm = ±5nA ;
Thiết bị = điện trở 500Ω

Bỏ qua các lỗi điện áp nhiệt điện, điện áp đo được ở mỗi bước là:

V1 = 2,5µV; V2 = –2,5µV; V3 = 2,5µV

Giả sử nhiệt độ tăng tuyến tính trong thời gian ngắn theo cách tạo ra cấu hình điện áp như trong Hình 2b, trong đó Vt tăng 100nV với mỗi lần đọc liên tiếp.

Như hình trên cho thấy, điện áp hiện được đo bằng vôn kế bao gồm lỗi do điện áp nhiệt điện tăng trong mạch và không còn có cùng độ lớn nữa. Tuy nhiên, sự khác biệt tuyệt đối giữa các phép đo có sai số là hằng số 100nV, do đó có thể hủy bỏ thuật ngữ này. Bước đầu tiên là tính toán điện áp delta. Điện áp delta đầu tiên (Va) bằng:

Va = bước đi âm = (V1 – V2)/2 = 2,45 µV

Điện áp delta thứ hai (Vb) được tạo ra ở bước dòng điện dương và bằng:

Vb = bước dương = (V3 – V2)/2 = 2,55 µV

Điện áp nhiệt điện thêm một số hạng lỗi âm trong Va và một số hạng lỗi dương trong phép tính Vb. Khi độ trôi nhiệt là tuyến tính, các số hạng lỗi này có độ lớn bằng nhau. Do đó, chúng ta có thể hủy lỗi bằng cách lấy giá trị trung bình của Va và Vb:

Vf = giá trị điện áp cuối cùng = (Va + Vb)/2 = ½[(V1 – V2)/2 + (V3 – V2)/2] = 2,5 µV

Kỹ thuật delta loại bỏ lỗi do điện áp nhiệt điện thay đổi

Do đó, phép đo vôn kế là điện áp do dòng điện kích thích tạo ra. Khi sự thay đổi liên tục, mỗi lần đọc liên tiếp là giá trị trung bình của ba lần chuyển đổi A/D gần đây nhất.

Kỹ thuật delta ba bước là lựa chọn tốt nhất cho các phép đo điện trở có độ chính xác cao. Hình 3 so sánh 1.000 phép đo điện trở 100Ω được thực hiện với dòng điện thử nghiệm 10nA trong khoảng 100 giây. Trong ví dụ này, tốc độ thay đổi điện áp nhiệt điện không quá 7µV/giây.

Kỹ thuật delta hai bước dao động 30% khi điện áp lỗi nhiệt điện trôi. Ngược lại, kỹ thuật delta ba bước có độ nhiễu thấp hơn nhiều—phép đo không bị ảnh hưởng bởi các biến thể nhiệt điện trong mạch thử nghiệm.

Yêu cầu về thiết bị

Thành công của phương pháp delta ba bước phụ thuộc vào phép tính gần đúng tuyến tính của độ trôi nhiệt được xem xét trong một khoảng thời gian ngắn. Phép tính gần đúng này yêu cầu thời gian chu kỳ đo phải nhanh hơn hằng số thời gian nhiệt của hệ thống thử nghiệm. Điều này áp đặt một số yêu cầu nhất định đối với nguồn dòng điện và vôn kế được sử dụng.

Nguồn dòng điện phải thay đổi nhanh theo các khoảng thời gian đều nhau để điện áp nhiệt điện thay đổi một lượng bằng nhau giữa mỗi lần đo.

Vôn kế phải được đồng bộ chặt chẽ với nguồn dòng điện và có khả năng thực hiện các phép đo chính xác trong một khoảng thời gian ngắn. Đồng bộ hóa ưu tiên bắt tay phần cứng giữa các thiết bị để vôn kế chỉ có thể thực hiện các phép đo điện áp sau khi nguồn dòng điện đã ổn định và nguồn dòng điện không chuyển cực cho đến khi hoàn tất phép đo điện áp.

Tốc độ đo của vôn kế rất quan trọng trong việc xác định tổng thời gian chu kỳ; phép đo điện áp nhanh hơn có nghĩa là thời gian chu kỳ ngắn hơn. Đối với các phép đo điện trở đáng tin cậy, vôn kế phải duy trì tốc độ này mà không làm mất đi các đặc tính nhiễu thấp.

Trong các ứng dụng công suất thấp, nguồn điện phải có khả năng đưa ra các giá trị dòng điện thấp để không vượt quá mức công suất định mức tối đa của thiết bị. Khả năng này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị có trở kháng cao và trung bình.

Độ dẫn điện vi sai

Một kỹ thuật đo lường quan trọng khác để mô tả các thiết bị trạng thái rắn và nano là độ dẫn điện vi sai. Đối với những vật liệu này, mọi thứ hiếm khi được đơn giản hóa thành Định luật Ohm. Với các thiết bị phi tuyến tính này, điện trở không còn là hằng số nữa, do đó cần phải đo chi tiết độ dốc của đường cong I-V tại mọi điểm để nghiên cứu chúng.

Đạo hàm này được gọi là độ dẫn điện vi sai, dG = dI/dV (hoặc nghịch đảo của nó, điện trở vi sai, dR = dV/dI). Lý do cơ bản khiến độ dẫn điện vi sai trở nên thú vị là độ dẫn điện đạt cực đại ở điện áp (hay chính xác hơn là ở năng lượng electron, tính bằng eV) mà electron hoạt động mạnh nhất. Trong các lĩnh vực khác nhau, phép đo này có thể được gọi là phổ năng lượng electron, phổ đường hầm hoặc mật độ trạng thái.

Thông thường, các nhà nghiên cứu thực hiện các phép đo độ dẫn điện vi sai bằng một trong hai phương pháp: thu được đường cong I-V với đạo hàm đã tính toán hoặc sử dụng kỹ thuật AC. Phương pháp đường cong I-V chỉ yêu cầu một nguồn và một dụng cụ đo, giúp việc phối hợp và kiểm soát tương đối dễ dàng. Quét dòng điện-điện áp được thực hiện và đạo hàm toán học được tìm thấy.

Tuy nhiên, việc lấy đạo hàm toán học sẽ khuếch đại bất kỳ tiếng ồn đo lường nào, do đó các thử nghiệm phải được chạy nhiều lần và kết quả phải được tính trung bình để làm mịn đường cong trước khi đạo hàm được tính toán. Điều này dẫn đến thời gian thử nghiệm dài.

Kỹ thuật AC làm giảm tiếng ồn và thời gian kiểm tra. Nó chồng một sóng sin AC biên độ thấp lên một điện áp DC quét. Điều này liên quan đến nhiều thiết bị và khó kiểm soát và phối hợp. Việc lắp ráp một hệ thống như vậy tốn nhiều thời gian và đòi hỏi kiến ​​thức sâu rộng về mạch điện. Vì vậy, mặc dù kỹ thuật AC tạo ra tiếng ồn thấp hơn một chút, nhưng nó phức tạp hơn nhiều.

Tuy nhiên, có một cách khác để có được các phép đo độ dẫn điện vi sai vừa đơn giản vừa ít nhiễu. Kỹ thuật này liên quan đến một nguồn dòng điện kết hợp các thành phần DC và AC thành một thiết bị. Không cần phải thực hiện phép đo dòng điện thứ cấp, vì thiết bị là một nguồn dòng điện thực sự. Hình 7 cho thấy dòng điện có nguồn trong phép đo độ dẫn điện vi sai.

Dạng sóng có thể được chia thành dòng điện xoay chiều và dòng điện cầu thang. Sử dụng các phép tính chính xác giống như trong phương pháp delta, có thể thực hiện các phép đo điện trở hoặc độ dẫn điện chính xác, với các phép đo tại mỗi điểm của cầu thang.

Vì kỹ thuật delta ba bước loại bỏ các độ lệch trôi tuyến tính, nên nó cũng không bị ảnh hưởng bởi các tác động của cầu thang thay đổi tuyến tính của chúng ta. Ngoài ra, nanovolt kế được sử dụng trong phương pháp này có độ nhiễu thấp hơn bộ khuếch đại khóa ở tần số luân phiên.

Phương pháp này có một số lợi ích. Một là ở những khu vực có độ dẫn điện cao nhất, nhiều điểm dữ liệu hơn được lấy bằng cách cung cấp nguồn quét theo các bước dòng điện bằng nhau. Những khu vực này được các nhà nghiên cứu quan tâm nhất và cung cấp dữ liệu chi tiết.

Ngoài ra, chỉ có một thiết bị vừa cung cấp nguồn dòng điện vừa đo điện áp giúp đơn giản hóa đáng kể việc thiết lập thiết bị. Cuối cùng, tiếng ồn giảm có thể rút ngắn thời gian thử nghiệm từ một giờ xuống chỉ còn năm phút

Kết luận

EMF nhiệt điện thường là nguồn lỗi chính trong các phép đo điện trở thấp/điện trở công suất thấp. Lỗi này có thể được loại bỏ gần như hoàn toàn bằng cách sử dụng kỹ thuật đảo ngược dòng điện ba điểm. Sử dụng kỹ thuật mới này có nghĩa là không còn cần phải cực kỳ cẩn thận để giảm thiểu tiếng ồn điện áp do nhiệt gây ra trong hệ thống dây điện của các hệ thống đo điện trở, giúp đơn giản hóa đáng kể quy trình đo.

Áp dụng cùng một kỹ thuật cho các phép đo độ dẫn điện khác biệt giúp giảm đáng kể tiếng ồn và độ phức tạp của thử nghiệm.

Nếu bạn cần thiết bị lường đo điện chính hãng, uy tín

Lidinco là công ty cung cấp các loại thiết bị đo lường điện uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.

Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Vận hành van khí nén