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低电压/纳伏电压/低压测量 Low Voltage / Nano-Volt

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发表于 2009-4-9 10:28:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
低电平,在Keithley 《Low Level Measurements Handbook》里面描述的很好了,这里只介绍一些实际的东西,而且只有低压,不包括小电阻、弱电流。

有关小电阻,参见:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=233
有关弱电流,参见:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=851
有关低噪音,参见:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=998

这里所谓低电压,一般是指1mV以下,尤其是指1uV以下的。
uV级别的电压,从1uV到999uV,其实并不算很低的电压,因为很多手持表有50.000mV档或40.000mV档,分辨1uV没有问题。
台表就更不用说了,一般都能分辨到1uV,稍微好一些的就是0.1uV。

而1uV以下,这才是测试的挑战。范围一般是1nV到999nV之间,也有1nV以下的,因此,测试仪器大多都叫纳伏表。

低电平的测试,挑战来自几个方面:
1、噪音
2、热电动势
3、干扰


纳伏表的应用,包括:
各种低压下的物理、化学、生物现象的研究领域
低阻测试
热电测试
噪声电压测试
温度测试
电桥检零
 楼主| 发表于 2009-4-15 14:59:59 | 显示全部楼层
商品纳伏表

Keithley 1801 纳伏前置放大器
Keithley 以低电平测试著名,而1801是其顶尖产品。0.6nVpp的电压噪音堪称极端。
只能接自己的2001(7位半)和2002(8位半)
1801.gif


Keithley 2182 纳伏表
比较新型号的,在产。
2182A.jpg
2182nanos.jpg    


HP/Aiglent 34420 纳伏表/微欧计
好评度比较高、拥有量比较大的纳伏表,性能类似K2182,但具有小电阻测试功能,因此也包含了RTD等高精度温度测测试功能。
DSCN2417mp.jpg

以下2图是3609新拍的内部,第一张包含了基准(LM399),而且板子与34401布局类似
01.jpg

这一张能看到InterFET生产的双JFET管
34420-3609.jpg

补充一张34420A的1mV档短路噪音实测
3420A短路20.gif


Keithley 181
181还算是Keithley很经典的一款纳伏表,拥有量比较大。
指标上尽管是5.5位,但按一下面板上的Hi Res键,就可以转换成6.5位。
181.jpg
DSC_8965s.jpg    
03.jpg
DSC_8971s.jpg
DSCN6281s.jpg    
DSC_8972s.jpg

Keithley 182
182总感觉是一款过渡产品,Keithley也叫它为“SENSITIVE DIGITAL VOLTMETER”而不是纳伏表
182.gif
182m.jpg

补充,这个182是mytek2000买的:
182-a-1000.jpg

前级内部图(屏蔽罩取下)
182-in.jpg

182前级放大器框图
182-bd.jpg

3609新拍的mytek2009的182外观图
3609-1.jpg
3609-2.jpg


AVM2000
看一个集 零探测和纳伏表为一身的PPM Inc的产品,属于模拟的,但又是数字控制、数字辅助的。档位很多,最小档为0.1uV,此时噪音指标是0.4nV,比1801还要低。
AVM2000s.jpg
AVM2000I4.jpg
AVM2000I3.jpg
AVM2000I1.jpg
AVM2000Bs.jpg      
AVMdiag.gif


EM N31
目前最高档的产品,噪音达到0.25nV,几乎到达理论极限了,经常用在CCC(低温电流比较仪)上。
N31.jpg

EM公司的纳伏表指标非常高,即便是前一代N11也比其它家的指标高很多:http://www.emelectronics.co.uk/spec/N11.html


总表
nVmeter.gif
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 楼主| 发表于 2009-4-17 17:10:40 | 显示全部楼层
纳伏表DIY

这个话题太沉重了,因为很难很难,想到哪里说到哪里吧。

总的计划
是做一个前置放大器,电池供电,放大1000倍,这样就可以直接送给手持表或者台表,省去显示等麻烦,专注纳伏特性放大。
性能上,噪音起码要达到K181的水平,也就是噪音不大于30nVpp。
这个放大器要考虑的问题很多,比如低热、对称、抵消、调零、补偿、反向、保护等等。目前只有Aeon做过类似的,看他的时间了。


输入接法
低热的解决,可以模仿34420,用纯铜U叉,然后用Teflon屏蔽线,直接接到机内,省去可能引起麻烦的插头。
DSCN2405s.jpg
DSCN9551s.jpg



前级放大
很多人一提到小信号放大,马上就想到暂波稳零运放,比如ICL7650s、LTC1052等。这样的运放的确具有很低的失调,但那是相对普通运放而言的。最主要的问题是,要放大nV级别的信号,本身必须有很小的噪音。暂波运放的噪音大多都在1uVpp,是1nV的1000倍,所以是不能用的。低噪音运放最好的是LT1028C,达到0.035uVpp,对应1nV/√Hz,这个到不是很大,但这类运放Ib非常大,达到既百nA,不能用的。因此,唯一能考虑的,就是分立JFET。

可以模仿181和34420的前级结构。模仿K181的好处,一个是有实物可参照,另外一个是181有清晰电路图。我的181,前级用了一对2SK163如图
04.jpg

而Haisens的181,用的是一对2SK162。从序号看我的好像更新一些。
05.jpg

181电路图输入部分(全体电路图参考其维护手册)
181d.gif

其中,第2级Q412,是著名的LM394超级对管
05LM394.jpg



模仿34420A也可以,也有实物可参照,但我的34420A还没舍得开盖子。
另外,34420A的电路图很不清晰,只能看到大概,参考意义大打折扣。比如输入部分是这样的:
34420Ad.gif


还有,34420A的前级用的是JFET对管,InterFET生产的SNJ3600:
34420A1.gif
34420A2.gif   

这个管子曾经被广泛应用在超低噪音的场合,但目前不生产了。Haisens打听了一下,说InterFET有替代品,是 IF3602,也超低噪音的。下了数据表看了一下,的确还不错,主要是噪音超低。这个短路噪音密度小到0.3nV//√Hz,是LT1028C的30%,因此低频噪音也应该是30%,这样可以估计为10nVpp,这与34420A的指标很类似了。
DS_IF3602 Low noise dual FET.pdf (93 KB, 下载次数: 270)
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 楼主| 发表于 2009-12-8 14:44:29 | 显示全部楼层
顶起来,有新情况,顺便加点内容

SNJ3600在不同温度下的噪音频谱,居然是低温下反而低频噪音很大,在30多度时最好。
Tempr.gif
Temperature characterization of JFETs.pdf (807 KB, 下载次数: 227)
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发表于 2009-12-8 14:52:01 | 显示全部楼层
什么时候去了交换区?期待后续!
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发表于 2009-12-8 14:58:00 | 显示全部楼层
这个帖子未完,然后没有加精
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发表于 2009-12-8 15:13:52 | 显示全部楼层
学习
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发表于 2009-12-8 16:21:55 | 显示全部楼层
实在是太强了
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发表于 2009-12-8 21:00:47 | 显示全部楼层
提供182实拍图
我帮mytek谈下的那个
和测试图,刚刚开机,呵呵
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 楼主| 发表于 2009-12-8 22:09:04 | 显示全部楼层

回 8楼(3609) 的帖子

好的,已经补充进去,谢谢
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