找出影響低電壓測(cè)量穩(wěn)定性的誤差源

如何選擇電壓表

許多種儀器可以測(cè)量電壓，包括數(shù)字多用表（DMM），靜電計(jì)和納伏表。要想成功測(cè)量電壓，需要電壓表的輸入阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)器件（DUT）的內(nèi)部阻抗（源阻抗）。如果不是這樣，電壓表測(cè)量的電壓會(huì)比接入表以前的電壓更小。靜電計(jì)有很高的輸入阻抗（典型在100TΩ量級(jí)〔10014Ω〕，所以他們被用來(lái)測(cè)量高電阻的電壓，DMM和納伏表可以測(cè)量10MΩ或低源電阻的電壓。納伏電壓表更適合測(cè)量低內(nèi)阻的源的小電壓（毫伏或微伏）。

低電壓測(cè)量

當(dāng)測(cè)量較高電壓時(shí)可以忽略的偏置電壓和噪聲源，在低電壓測(cè)量時(shí)會(huì)帶來(lái)很明顯的誤差。固定的偏壓通常可以通過(guò)輸入端短路，然后用儀器的回零（相對(duì)）功能來(lái)使其為零。下面幾段中討論會(huì)影響到低電壓測(cè)量的不穩(wěn)定的誤差源以及如何使他們對(duì)測(cè)量的影響最小。

熱電動(dòng)勢(shì)

在低電壓測(cè)量中最常見(jiàn)的誤差源是熱電動(dòng)勢(shì)（熱電EMFs），這是由導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn)間溫度的差異造成的（如圖1）。

構(gòu)造電路時(shí)導(dǎo)體都使用同種材料可以使生成的熱電動(dòng)勢(shì)最小。例如，由銅的接線片或接線柱形成銅－銅接觸的結(jié)，這樣會(huì)產(chǎn)生最小的熱電動(dòng)勢(shì)。而且，結(jié)點(diǎn)必須清潔，未被氧化。

在電路中使溫度梯度降至最低也可減少熱電動(dòng)勢(shì)。一個(gè)減小溫度梯度的方法是將所有接點(diǎn)放在很接近的地方并保證與一個(gè)公共的大熱沉有好的熱耦合。如果這樣難以實(shí)現(xiàn)，就熱耦合每一對(duì)相應(yīng)的不同材料的接點(diǎn)使它們的溫差最小，這也有助于減小熱電動(dòng)勢(shì)。

Johnson 噪聲

電壓表能測(cè)量的電壓的極限的限制是由 Johnson（熱）噪聲決定的。這種噪聲是與電子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相關(guān)電壓。所有的電壓源都有內(nèi)阻，這就會(huì)產(chǎn)生Johnson噪聲。某一電阻產(chǎn)生的噪聲電壓大小由下面的公式計(jì)算出：V= √4kTBR

k= Boltzmann,s 常數(shù)（1.38×10-23J/K）

T＝源的絕對(duì)溫度K

B＝噪聲帶寬 Hz

R＝源內(nèi)阻Ω

從這個(gè)公式可以得知，Johnson噪聲可以通過(guò)降低溫度，減小測(cè)量的帶寬來(lái)減小。減小測(cè)量的帶寬相當(dāng)于增加儀器的響應(yīng)時(shí)間；因此，額外增加濾波，通過(guò)增加儀器的積分時(shí)間（典型值為電源周期的整數(shù)倍）來(lái)減小帶寬。

地線回路

當(dāng)信號(hào)源和測(cè)量?jī)x器都連接到同一地線上時(shí)，地線回路就形成了（如圖2a）。比如說(shuō)這樣一種情況，幾臺(tái)儀器在不同機(jī)架上，電源插在同一接線板上。經(jīng)常在地線上的不同點(diǎn)處有不同電位。這個(gè)電位差--甚至很小的--就能形成電路中很大的電流并產(chǎn)生不希望的電壓降。解決的方法是將整個(gè)測(cè)量電路以一點(diǎn)接地。最簡(jiǎn)單的辦法是隔離DUT（源）并且為測(cè)量系統(tǒng)找一個(gè)單一的良好接地點(diǎn)，如圖2b。要避免將靈敏測(cè)量線路與使用中的其他儀器，機(jī)械裝置及大功率設(shè)備接入同一地線系統(tǒng)。

磁場(chǎng)

磁場(chǎng)能在如下兩種環(huán)境下產(chǎn)生虛假電壓:1）如果磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，2）電路和磁場(chǎng)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)（圖3a）。導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，測(cè)量系統(tǒng)中的元件引起的本地的交變電流，或磁場(chǎng)的有意的變化如磁阻測(cè)量等都能產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)。

為使感應(yīng)出的磁感應(yīng)電壓最小，引線必須被放置在一起并系緊以減少移動(dòng)。雙絞電纜從兩方面減小磁場(chǎng)效應(yīng)：一，減小磁場(chǎng)影響的閉環(huán)區(qū)域；二，雙絞線上相鄰閉環(huán)產(chǎn)生的電壓極性相反可以互相抵消。（圖3b）

低電阻測(cè)量

低電阻（<10Ω）最好是用加電流源測(cè)電壓的方法測(cè)量。對(duì)極低電阻（微歐或更?。┗蚱渌泄β氏拗频牡胤?，常常要用到納伏表。因此，所有前面提到的低電壓技術(shù)和誤差源，在這里都適用。低電阻測(cè)量還多些其他的誤差源。