Pomiar bardzo małych prądów.

[Einherjer]

Bardzo ciekawy i wciąż aktualny temat pomiaru prądów na poziomie femtoamperów.
https://www.youtube.com/watch?v=B4G3YPlO6Wg
https://www.electronicdesign.com/techno ... uff-anyhow
https://www.electronicdesign.com/techno ... uff-anyhow

No i ciekawy odcinek eevblog, gdzie Dave pokazuje elektrometr Keithley 617 https://www.youtube.com/watch?v=LI_5ANmkVqo

[Romekd]

Czołem.
Dziękuję za linki do ciekawych materiałów. Choć zapoznałem się z nimi zaraz po ich zamieszczeniu, to z wypowiedzią wstrzymywałem się, gdyż sądziłem że w międzyczasie zdążę wykonać własny miernik małych prądów i przedstawię co udało mi się osiągnąć, korzystając ze zdobytych informacji. Oglądając film z pierwszego linku dowiedziałem się jak wiele, wydawać by się mogło mało istotnych "drobiazgów" może wywierać istotny wpływ na parametry miernika małych prądów, np. materiał izolatorów, sposób ekranowania czułych obwodów czy jakość zastosowanych gniazd, a nawet promieniowanie kosmiczne... W filmie zachwalany był wzmacniacz operacyjny typu LMC6001, w przypadku którego jego producent podaje typową wartość prądu wejściowego równą ok. 10 fA i gwarantowaną maksymalną dopuszczalną wartość tego prądu na poziomie 25 fA dla wszystkich sprzedawanych egzemplarzy... Ja pierwsze próby przeprowadzałem z układem LMC662, dla którego typowa wartość prądu wejść może wynosić jedynie 2 fA, ale już dopuszczalna wartość tego prądu dla niektórych egzemplarzy wzmacniacza może osiągać aż 2...4 pA, a przecież nie wiadomo na co się trafi, kupując pojedyncze sztuki układu LMC662. Dlatego zakupiłem do prób kilkadziesiąt tych wzmacniaczy, licząc, że prąd wejściowy niektórych egzemplarzy będzie zbliżony do wartości podanej jako typowa (producent w nocie katalogowej nie zamieszcza histogramu jak statystycznie mogą przedstawiać się wartości prądu wejść tego ciekawego wzmacniacza, szkoda...).
W międzyczasie znalazłem jeszcze ciekawszy układ scalony, którego typowy prąd wejściowy wynosi 1 fA, a dopuszczalny (gwarantowany) jest mniejszy od 20 fA. Ten ostatni jest poza tym jeszcze bardziej precyzyjny pod względem parametrów (każdy egzemplarz jest precyzyjnie "trymerowany" podczas procesu wytwarzania). LMC6001 ma typowe napięcie niezrównoważenia na poziomie do 0,7 mV i dryf temperaturowy na poziomie 2,5 μV/°C, gdy LMC662 może mieć napięcie niezrównoważenia wejść na poziomie 1...3 mV przy dryfie temperaturowym 1,3 μV/°C, natomiast OPA928 ma typowe napięcie niezrównoważenia równe jedynie 5 μV (maksymalnie do 25 μV) i możliwy typowy dryf temperaturowy na poziomie zaledwie 0,1 μV/°C (maksymalnie do 0,8 μV/°C). Ciekaw jestem na jakie egzemplarze mi się trafią (układy mają do mnie przyjść w przyszłym tygodniu)...
Jakiś czas temu od jednego z Kolegów z Forum kupiłem elektrometr firmy KEITHLEY model 610C z roku bodajże 1968, który w wolnym czasie zaprezentuję w dziale "Przyrządy pomiarowe".

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Parametry tego OPA928 są imponujące, cena jest do tego adekwatna... No ale faktycznie przy jego mocy można już zbudować całkiem dobry elektrometr.

[Romekd]

Jako ciekawostkę przedstawię jeszcze moją rozmowę z Chat GPT (wiem, czasami sztuczna inteligencja podaje zupełne bzdury, ale tu akurat wygenerowała całkiem ciekawe informacje), gdzie zacząłem od najprostszych pytań, udając kompletnego laika w temacie... Myślę że te informacje mogą zainteresować początkujących, zaciekawionych tą tematyką.

Odp. GPT na pytanie nr 1.png

Odp. GPT na pytanie nr 2.png

Odp. GPT. rozwinięcie 1.png

Odp. GPT. rozwinięcie 2.png

Odp. GPT. rozwinięcie 3.png

Poniżej Chat GPT przedstawił ciekawe informacje o dostępnych w specjalistycznych sklepach przyrządach pomiarowych, których cena niestety może zwalić z nóg...

1_Keithley 6430A Sub-Femtoamp Remote SourceMeter.png

2_Keithley 6517B Electrometer - High Resistance Meter.png

3_Keysight B2987A Electrometer - High Resistance Meter.png

4_Femto DDPCA-300_przedwzmacniacz niskoszumowy do układów z fotonami i elektronami.png

5_Porównanie_zastsowania_przykładowe ceny.png

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

To i tak jest mniej niż się spodziewałem za tej klasy sprzęt. Za cenę tych tańszych nawet nowego auta nie kupisz

[Romekd]

Ceny tego typu sprzętu, z racji na jego bardzo specjalistyczne przeznaczenie i przez to stosunkowo mały zbyt są dość wysokie, ale wielu z producentów jest w stanie zrobić, na indywidualne zamówienie, sprzęt pomiarowy o jeszcze lepszych parametrach i wtedy cena takich urządzeń staje się już naprawdę "kosmiczna"...

Jednak w "domowych warunkach" też można dokonywać pewnych pomiarów i to często w prosty i bardzo tani sposób, choć niektórym elektronikom nie przyszłoby do głowy, że to w ogóle jest możliwe, gdyż zwyczajny, amatorski sprzęt pomiarowy teoretycznie nie daje takich możliwości, gdyż mierzone parametry nie mieszczą się w specyfikacji tego taniego sprzętu pomiarowego. Ponad dwadzieścia lat temu pisałem na forach internetowych o możliwości pomiaru małych prądów, np. upływności kondensatorów (pomiarach przewodności izolatorów, dielektryków itp.) używając w tym celu dostępnych wówczas multimetrów cyfrowych na zakresach pomiaru napięcia, z dodanymi do nich ewentualnie prostymi przystawkami, wykonanymi z prostych i dostępnych w tym czasie elementów. W kolejnym wpisie opiszę jak można mierzyć naprawdę duże rezystancje bez potrzeby sięgania po drogie, specjalistyczne urządzenia.

Pozdrawiam
Romek

[Tomasz Gumny]

Do pomiaru bardziej „normalnych” prądów, np. siatki, powinny wystarczyć przetworniki U/f, których sygnał wyjściowy można izolować galwanicznie jednym transoptorem. Stosowałem kiedyś AD654 z całkiem przyzwoitym rezultatem. Pamiętam, że przyjemny był integrator IVC102, bo można było mierzyć małe prądy w bardzo szerokim zakresie.

[Romekd]

Czołem.

Do pomiaru bardziej „normalnych” prądów, np. siatki, powinny wystarczyć przetworniki U/f, których sygnał wyjściowy można izolować galwanicznie jednym transoptorem. Stosowałem kiedyś AD654 z całkiem przyzwoitym rezultatem. Pamiętam, że przyjemny był integrator IVC102, bo można było mierzyć małe prądy w bardzo szerokim zakresie.

Dziękuję Tomu za podesłane informacje. W wolnym czasie zapoznam się z możliwościami podanych przez Ciebie podzespołów. Natomiast w międzyczasie otrzymałem zamówione w firmie DigiKey układy wzmacniaczy operacyjnych, a mówiąc precyzyjnej specjalnych wzmacniaczy pomiarowych, zawierających w swojej strukturze wiele dodatkowych obwodów zabezpieczających wejścia i ułatwiających wykorzystanie tych elementów w mierniku bardzo małych prądów (specjalne wyjścia). Poniżej zdjęcie przesyłki, którą wczoraj otrzymałem oraz schemat wewnętrznej budowy układu, jakiejś z nim przykładowej aplikacji i wykres ekstremalnie niskich prądów polaryzacji wejść, które w interesującym mnie przedziale temperatur są naprawdę imponujące (filetową obwódką zaznaczyłem zakres temperatur w jakich układ będzie używany, a prostą pionową najmniejszą wartość prądu, która może wystąpić w zakresie typowych temperatur "pokojowych"; dodatkowo nota aplikacyjna jest pełna wykresów i histogramów, które wydają się być wykonane rzetelnie.

OPA928DR.jpg

OPA928_Input Bias vs Temperature.jpg

Smuci mnie jednak to, że obecnie jestem mocno "zagrzebany" w realizacji bieżących zleceń i nie wiem kiedy znajdę więcej czasu na hobbistyczne zabawy i eksperymenty...

Pozdrawiam
Romek

[Tomasz Gumny]

Temperaturę zawsze można obniżyć, tylko wtedy jeszcze większym problemem będzie i tak już trudny do osiągnięcia parametr: RH=10%.
Parametry tego wzmacniacza sa nieziemskie. No i ten wbudowany driver do „active guard” -miodzio.

[Einherjer]

No z tą wilgotnością to poszli po bandzie, bez aktywnego osuszania trudno ją raczej osiągnąć jak się jeszcze nie chce podnosić temperatury No ale dalej w karcie katalogowej jest podrozdział na temat wilgotności i tam jest bardziej adekwatny wykres.

Zrzut ekranu 2025-06-10 195108.png

[Romekd]

Czołem.

Temperaturę zawsze można obniżyć, tylko wtedy jeszcze większym problemem będzie i tak już trudny do osiągnięcia parametr: RH=10%.
Parametry tego wzmacniacza sa nieziemskie. No i ten wbudowany driver do „active guard” -miodzio.

Na razie miałem kilka luźnych przemyśleń, jak można rozwiązać ten problem. Zastanawiałem się nad umieszczeniem układu w próżnioszczelnej obudowie, z hermetycznymi przepustami szklanymi, z której odessałbym powietrze lub wypełnił ją powietrzem (lub innym gazem) pod niższym ciśnieniem (np. osuszonym powietrzem; mam w pracowni fragment profesjonalnego osuszacza powietrza, które służyło jako dielektryk o bardzo małej stratności w falowodzie. Myślałem czy nie dałoby się w takiej hermetycznej metalowej obudowie umieścić małego ogniwa Peltiera, którym byłaby schładzana drukowana płytka (z dodatkowymi izolatorami, wykonanymi z teflonu) do temperatury niższej (i stabilizowanej) od pokojowej To oczywiście pomysły, które tak na szybko przyszły mi dzisiaj do głowy, i które musiałbym jeszcze skonsultować z lepszymi od siebie specjalistami, np. Alkiem Zawadą. Jednak w wolnej chwili próby zacznę od pomiarów układów w standardowych warunkach, a dopiero później będę się zastanawiał (jak nie braknie mi zapału) co ewentualnie w układzie ulepszyć, by jeszcze bardziej "wyśrubować" jego parametry...

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

No z tą wilgotnością to poszli po bandzie, bez aktywnego osuszania trudno ją raczej osiągnąć jak się jeszcze nie chce podnosić temperatury No ale dalej w karcie katalogowej jest podrozdział na temat wilgotności i tam jest bardziej adekwatny wykres.
Zrzut ekranu 2025-06-10 195108.png

Wykres jest bardzo interesujący i zastanawiam się co miało wpływ na przedstawione zależności prądu wejściowego od wilgotności powietrza. Intrygujące jest np. to, że dla wilgotności równej 60% w temperaturze 20°C wartość prądu przechodzi przez "zero". Poza tym wykresy pokazują, że w temperaturze pokojowej wartości prądu dla różnej wilgotności powietrza i tak są bardzo niskie, a przecież prąd wejściowy i napięcie niezrównoważenia wejść można jeszcze przed dokonywaniem pomiaru prądu źródła w prosty sposób korygować (zerować) zewnętrznymi elementami, co byłby możliwe przy stabilnych parametrach wzmacniacza i poradzeniu sobie z np. szumem i zakłóceniami badanego źródła prądu, otoczenia oraz samego wzmacniacza pomiarowego. Może się jednak okazać, że w pewnym momencie parametry urządzenia staną się na tyle dobre, że popsute zostaną przez "warunki zewnętrzne" (promieniowanie tła /kosmiczne/, ruchy cząstek powietrza, "elektrostatyka" i inne, które pewnie jeszcze wyjdą w "praniu"...).

Pozdrawiam
Romek

[Einherjer]

Najwyraźniej testowany egzemplarz miał w chłodnych i suchych warunkach prąd polaryzacji o przeciwnym kierunku niż ten powstający na skutek wilgoci i częściowo się to skompensowało. No ale możesz trafić na ezgemplarz, gdzie się doda. Tak czy owak jak już się zbliżamy do liczenia elektronów na palcach to montaż, czystość i jakość wykonania elementów pasywnych też mają krytyczne znaczenie, w elektrometrach nie tylko sam wzmacniacz wejściowy tyle kosztuje...

[Romekd]

Czołem.

Najwyraźniej testowany egzemplarz miał w chłodnych i suchych warunkach prąd polaryzacji o przeciwnym kierunku niż ten powstający na skutek wilgoci i częściowo się to skompensowało. No ale możesz trafić na egzemplarz, gdzie się doda.

Tak, to co napisałeś brzmi logicznie i wiarygodnie. Warto byłoby wyznaczyć te parametry dla kilku innych egzemplarzy OPA928, choć przeprowadzenie takich, lub nawet mocno uproszczonych pomiarów w "domowych warunkach" może okazać się trudne do wykonania...

Tak czy owak jak już się zbliżamy do liczenia elektronów na palcach to montaż, czystość i jakość wykonania elementów pasywnych też mają krytyczne znaczenie, w elektrometrach nie tylko sam wzmacniacz wejściowy tyle kosztuje...

Zdaje sobie z tego sprawę. Zanim zdecydowałem, że może spróbuję samodzielnie wykonać własny elektrometr, przeczytałem na temat tego typu urządzeń wiele opracowań, filmów na YT, a nawet kilkakrotnie "rozmawiałem" ze sztuczną inteligencją, więc zdaję sobie sprawę ze złożoności i poziomu skomplikowania tego typu urządzeń. Pozytywnie zaskoczyły mnie wypowiedzi na ten temat "sztucznej inteligencji", bo były dość konkretne i szczegółowe, z podpowiedziami jakie konkretne materiały i gotowe, dostępne w handlu podzespoły mogę zastosować w swojej konstrukcji...

Pozdrawiam
Romek

[ECL86]

Jako ciekawostkę przedstawię jeszcze moją rozmowę z Chat GPT (wiem, czasami sztuczna inteligencja podaje zupełne bzdury, ale tu akurat wygenerowała całkiem ciekawe informacje), gdzie zacząłem od najprostszych pytań, udając kompletnego laika w temacie... Myślę że te informacje mogą zainteresować początkujących, zaciekawionych tą tematyką.

Niestety z tym prądem i ruchem elektronów to nie jest tak do końca.
https://www.youtube.com/watch?v=kajrCEAl2YM