低电压/纳伏电压/低压测量 Low Voltage / Nano-Volt

lymex

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：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=233
有关弱电流，参见：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=851
有关低噪音，参见：https://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

lymex

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）



Keithley 2182 纳伏表
比较新型号的，在产。

   


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。


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


这一张能看到InterFET生产的双JFET管


补充一张34420A的1mV档短路噪音实测



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。

   


   


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



补充，这个182是mytek2000买的：


前级内部图（屏蔽罩取下）


182前级放大器框图


3609新拍的mytek2009的182外观图




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。




     



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。


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

lymex

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。
  




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
  

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

181电路图输入部分（全体电路图参考其维护手册）
  

其中，第2级Q412，是著名的LM394超级对管
  



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：
  


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

   

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。
  
  

追加，3609拍的34420的对管
  


另外，据文献介绍2SK146也不错，也是对管。




热电动势
这是自己DIY纳伏表要解决的最棘手的问题，因此独立出来探讨。



后级放大
拟采用运放LTC1052

lymex

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。
  
  


为了取得超低噪音，不惜成本采用20个SNJ3600并联！
  
  


Electronics Point论坛对IF3600对管的测试讨论 http://www.electronicspoint.com/ ... t-specs-t31880.html

yjm2000

什么时候去了交换区？期待后续！

stupid

这个帖子未完，然后没有加精

csclz

学习

kakou

实在是太强了

3609

提供182实拍图
我帮mytek谈下的那个
和测试图,刚刚开机,呵呵

lymex

好的，已经补充进去，谢谢

yjm2000

这么多好东西？

qinchang

见到老外把两颗TO-92的JFET用胶水粘在一起做成对管叫做“聊胜于无”[s:28]

dudong1120

20个SNJ3600并联  那图纸谁设计的呀  是参考的  还是自己设计的  要是自己设计的  那模电都教授级的了

wangkzh

学习

ruinedone

无比期待。

试着找了找，淘宝上比较好找的就是2N6485，超低漏电的dual jfet。不知道用它做前级怎么样？国半的手册只提供了两个参数1KHz 5nV/根号赫兹、10Hz 10nV/根号赫兹。


老大提到的元件似乎都不好找。

longshort

测试nV要比测试nA困难多了。

zhangxz

好文章，学习中。

长风

有制作电路和印刷电路，元件型号就好仿制了。

乐乐很蛋疼

好牛逼啊~~~又学习了

dongxu

能有人领头组织起来DIY就好了

长风

能有人领头组织起来DIY就好了 。
先挂名。等老大带头。
如果哪位有300倍和500倍电路图也可。谢谢！

长风

组织起来DIY

src100

无比期待下文啊。

ruinedone

决定用2N6485做个简易的版本。

data

学习 梦想diy一个

pla031

学习也谈不上，就看看，不懂。

长风

哪位老师行动了？提示一下吗

jacky-cheung

期待老大组织大家一起做出来。目前还差本人主要差前级的对管。

jacky-cheung

还是没人组织啊。