高源內阻電壓源的測量中電阻和偏置電流引起的負載誤差和減小辦法

高源內阻電壓源的測量中輸入電阻和輸入偏置電流引起的負載誤差和減小辦法

對高源內阻電壓源的測量容易產生幾種誤差，諸如：電壓表輸入電阻和輸入偏置電流以及外部分流電阻和電容引起的負載誤差。下列討論電壓表輸入電阻和輸入偏置電流引起的負載誤差的來源和將其影響減到zui小的方法。

輸入電阻負載

對高內阻電壓源的測量容易產生由儀表輸入電阻和連接電纜泄漏電阻引起的負載誤差。實際的電壓表可以由一個理想的無限大輸入電阻的電壓表（VM）與一個確定大小的輸入電阻器（RIN）相并聯來表示，如圖 2-1 所示。將電壓源連到電壓表的輸入端，源的戴文寧等效電路為 VS 與 RS相串聯，這時電壓表輸入端出現的電壓（VM）由于 RS 和 RIN 的分壓器作用而減小如下：

例如，假定， RS= 100kΩ ， RIN = 10MΩ， 如果 VS= 5V ，則電壓表實際測量出的電壓為：

這樣，在這個例子中，輸入電阻的負載效應將產生 1% 的誤差。

儀表的輸入電阻應當遠遠大于源的內阻才能滿足對測量準確度的要求。例如，如果希望的準確度為 1% ，那么表的輸入電阻必須比源的電阻高 100 倍。對于更高的準確度，這個比率必須相應地更高。

連接電纜通常不是問題，但是在源電阻非常高時（ > 10GΩ），或者在的環境條件下，卻會引起很大的負載誤差。可以將電纜保護起來，以降低其對測量的負載效應。

輸入偏置電流負載

在測量高電阻源時要考慮的另一個問題是電壓表的輸入偏置電流。儀器內部電路和內部的偏移電壓會在儀器的輸入端引起輸入偏置電流。如圖2-2所示，輸入偏置電流（IBIAS）在源電阻（RS）上產生了誤差電壓。所以實際測量的電壓（VM）與源的電壓（VS）有所不同：

VM = VS±IOFFSETRS

例如，假定各參數如下：

IOFFSET = 1pA RS = 10G VS = 10V

那么，電壓表實際測量出的電壓為：

VM=10±(10-12 ·1010)

VM=10±0.01

VM= 9.99V或者10.01V（取決于偏置電流的極性）

因此，在這個例子中，輸入偏置電流引起的誤差大約為0.1%。

數字多用表和納伏表的輸入偏置電流在1pA到1nA之間，而數字多用表通常不規定輸入偏置電流。靜電計以低輸入偏置電流而聞名，其輸入偏置電流通常在幾個飛安（fA）。皮安計和SMU也具有很低的輸入偏置電流，但是通常沒有靜電計低。

雖然輸入偏置電流是這種誤差的常見來源，但是外電路產生的電流在源電阻上形成的電壓降也能引起誤差。這種偏移電流的典型來源是絕緣子和電纜。

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直分流電阻負載和保護

外部的分流電阻，例如：漏電的電纜和骯臟的絕緣子也可能引起負載誤差。

跨接在電壓源上的任何外部分流電阻都會使測量的電壓衰減，如圖2-3所示。和輸入電阻的電壓負載作用一樣，分流電阻（RSHUNT）和源電阻（RS）也形成了一個分壓器，并將測量的電壓（VM）衰減如下：

例如，假定，RS = 10G，RSHUNT = 100G。如果VS = 10V，則測量出的電壓為：

VM = 9.09V

在這個例子中，分流負載引起的誤差大約為9%。

分流電阻負載通常是由電纜泄漏電阻引起的，如圖2-4所示。在這種情況下，測量的電壓（VM）被RS 和電纜電阻RL形成的分壓器衰減：

為了降低由分流電阻引起的誤差，使用絕緣電阻盡可能高的電纜、連接器和測試夾具。此外，采用保護技術可以消除任何剩余的誤差。

使用保護技術可以大大降低電纜泄漏引起的誤差，如圖2-5所示。在采用保護技術的連接配置中，電纜的屏蔽連接到保護緩沖放大器的輸出，而不是連到儀表的LO端。RG代表從電纜的屏蔽到表的LO端的電阻，IG是為了將屏蔽驅動到與輸入HI端相同的電位，而在RG中流過的電流。這個電流由保護緩沖放大器提供，而不是由電壓源來提供。由于現在RL上的電壓降低了好幾個數量級，在大多數情況下，泄漏電流可以忽略。

根據定義，保護是強制將電路中的一個低阻節點與高阻輸入端節點近似等電位的一種技術。

在現代的靜電計中，前置放大器輸出端就是這樣的一個節點，并可以用來降低電纜泄漏的影響，如圖2-5所示。其另一個好處是還降低了電纜的有效電容，使電路的響應速度加快很多。