Мысль дополнить свою лабораторию прибором для измерения малых токов и больших сопротивлений меня посещала с давних пор и с завидной периодичностью. Основной причиной тому были нередко возникающие задачи, для решения которых уже недостаточно возможностей универсальных мультиметров. Останавливало только одно: промышленные цифровые электрометры (пикоамперметры, тераомметры) – это узкоспециализированные, редкие, а от того весьма дорогостоящие приборы, вложение в которые может подорвать любой семейный бюджет. Последний фактор стал ещё более весомым после серии уникальных по своему содержанию публикаций уважаемых коллег bsw_m и shodan@micron на форуме eevblog, целиком и полностью посвящённых изучению конструкции, схемотехники и параметров электрометров минского производства. Эти публикации позволили радиолюбителям и профессионалам из многих стран окунуться в вопросы метрологии малых токов и зарядов на пике технических возможностей (а немногочисленным перепродавцам советского оборудования ещё выше задрать цены). Конечно есть и альтернатива в виде сравнительно недорогих «тёплых» ламповых изделий из доисторической эры, к которым можно отнести пресловутый стрелочный тераомметр Е7-13А, разного рода громоздкие предусилители и т.п. Но лично меня, как последователя секты миниатюризации, это направление давно не интересует.

Так или иначе, но вышеприведенные публикации стали своеобразным триггером, который стимулировал поработать немного головой и руками (а заодно привлечь к этому моего любопытного первоклассника ). В начале я составил примерный перечень задач, решение которых возлагалось на проектируемый пикоамперметр/тераомметр. В их число вошли:
1) измерение обратного тока p-n переходов, утечки затвора полевых транзисторов и пр.;
2) оценка качества изоляции и разбраковка сигнальных кабелей, в т.ч. экранированных;
3) измерение удельного сопротивления диэлектриков печатных плат, изоляторов монтажных стоек, зажимов, корпусов и панелей РЭА;
4) измерение удельного сопротивления технологических сред (смазочных, защитных);
5) измерение тока утечки разомкнутых контактных пар реле, герконов, переключателей;
6) разбраковка конденсаторов по току утечки;
7) оценка эквивалентных параметров модели диэлектрической абсорбции диэлектрика конденсаторов;
8 ) измерение среднего входного тока вольтметров, мультиметров, усилителей;
9) сортировка высокоомных (свыше 1 ГОм) резисторов по отклонению от номинала.

Затем определил рамочные требования к пределам измерения (4, 40 и 4000 пА), чувствительности (1 фА), автономности и габаритам. После чего рассмотрел варианты схемотехнической и конструктивной реализации. В итоге остановился на классическом трансимпедансном усилителе, оформленном в виде приставки к универсальному вольтметру или мультиметру с длиной шкалы 4,5 разрядов или более.
Подробно останавливаться на принципиальной схеме не вижу смысла ввиду её простоты. К тому же, подобного рода проектов в Сети выложено немало, и даже беглый поиск по слову «picoammeter» выдаёт сотни вариантов, как готовых решений, так и самоделок. Некоторые из них публиковались в солидных журналах. Вот, к примеру, статья «Picoammeter Design» в журнале Circuit Cellar №237, 2010 г. (аналог нашего журнала «Радио»): https://drive.google.com/file/d/14RuSg4 ... sp=sharing

Принципиальная схема и плата в sPlan/Sprint Layout: https://drive.google.com/drive/folders/ ... sp=sharing



В силу того, что пределы измерения перекрывают 3 порядка, это потребовало бы введения в схему переключателя поддиапазонов. Однако любой переключатель, хоть с Т-образным делителем в ООС, хоть с декадными резисторами, существенно ухудшает метрологические характеристики изделия (хотя и по разным причинам). Поэтому было принято принципиальное решение отказаться от любых способов коммутации поддиапазонов, а вместо этого сделать несколько экземпляров приставки с унифицированной конструкцией и максимально упрощённой схемой входного узла, но разными резисторами шунтов в ООС.
За исключением 2-х экземпляров приставки во всех остальных использован ОУ типа LMC662: сдвоенный, с фемтоамперным входным током. Кроме него опробованы пин-совместимый LMC6482 и счетверённый LMC6034. В последнем случае charge pump TPS60403 заменён на ICL7660. Никаких разногласий с даташитом по токам утечки и напряжению смещения ОУ не обнаружено.

Поскольку ОУ в SOIC, топология печатной платы оптимизирована по односторонний монтаж, а обратная сторона используется как экран. Монтаж компонентов входной цепи навесной. R1 и R2 припаиваются непосредственно к входному разъёму, установленному в проходном фторопластовом изоляторе. R2 и C2 припаиваются к штырю фторопластовой монтажной стойки. Инвертирующий вход ОУ отогнут пинцетом от поверхности платы и соединён тонким лужёным проводником с тем же штырём. Предварительно все изоляторы отмачивались 2 недели в изопропаноле. Разумеется все монтажные операции только в латексных перчатках.
Питание приставки батарейное, от 9-вольтовой «Кроны». Ток потребления – единицы миллиампер. При первом запуске потенциометром R6 устанавливается близкое к нулю напряжение смещения ОУ. При этом вход приставки предварительно должен быть соединён с выходом. В дальнейшем необходимость корректировать смещение не возникает.

Отдельного упоминания заслуживают высокоомные резисторы, устанавливаемые в ООС и во многом влияющие на метрологические характеристики приставки. Перед монтажом на плату я провёл разбраковку нескольких десятков резисторов разных типов от 1 ГОм и выше, как по отклонению от номинала, так и по факту выхода за границы допуска. Испытания проводил двумя способами. Резисторы менее 10 ГОм – непосредственным измерением с помощью 8,5-разрядного мультиметра. Свыше 10 ГОм и до 1 ТОм – по напряжению на выходе делителя, в верхнем плече которого испытуемый резистор, а в нижнем – МРХ на 10 МОм. На фото представлены типичные «неудачники». В целом же, из нескольких десятков купленных и испытанных резисторов разных типов, КВМ в допуске оказались только 6 шт. 1 ТОм и 1 шт. 10 ГОм. Как тут не вспомнить слова уважаемого bsw_m о том, что от советских КВМ нужно держаться подальше. Они точно не стоят тех денег, которые за них сейчас просят. В итоге пришлось использовать импортные стеклянные электрометрические резисторы, которые при допуске 10% практически все уложились в доли процента.



Конструктивно приставка оформлена в серийном металлическом корпусе Gainta, крышка которого уплотняется силиконовым шнуром. Наружу корпуса выведены тумблер питания, два зажима для подключения внешнего измерительного прибора (вольтметра, мультиметра) и входной разъём. Корпус приставки является одновременно и электростатическим экраном, и общим измерительным проводником. Резьбовое отверстие М4 в стенке корпуса позволяет прикреплять приставку винтом непосредственно к измерительной камере.



Измерительная камера представляет собой металлическую коробку с откидывающейся крышкой. На боковых поверхностях камеры расположены зажимы для подключения внешнего источника испытательного напряжения, а так же выполнены два сквозных отверстия: одно для входного разъёма приставки, второе – для крепёжного винта М4. Внутри по периферии корпуса камеры закреплены фторопластовые изоляционные скалки с отверстиями под различные виды технологической оснастки. Заготовки скалок предварительно обработаны тонким точением для удаления дефектного слоя и снижения поверхностных утечек. На 2-м фото показана измерительная камера в сборе с опытным экземпляром приставки в нестандартном корпусе.



После сборки и настройки следовал этап калибрования, который заключался в измерении крутизны преобразования каждого экземпляра усилителя и записи этого значения на специально предусмотренной наклейке на крышке корпуса. С этой целью в камере был установлен самый точный из сверхвысокоомных микропроволочных резисторов, которые у меня имелись: 333,3 МОм +/- 0,05%. Будучи подключенным к экспериментальному калибратору с выходным напряжением от 1 мкВ до 10 В этот резистор позволял формировать значение силы тока в диапазоне от 3 фА до 30 нА с достаточной для любительских целей точностью. Для наименее чувствительных исполнений приставки крутизна преобразования определялась как отношение выходного напряжения в мВ к величине входного тока в пА. Эффекты смещения нуля в этом случае во внимание не принимались ввиду их малости. Для исполнений с максимальной чувствительностью (диапазон 0…4 пА) проводилось два измерения с прямой и обратной полярностью опорного напряжения на эталонном резисторе. Искомая крутизна в этом случае рассчитывалась по размахам выходного напряжения и входного тока.



А теперь немного экспериментов…
Входной ток утечки мультиметров в режиме измерения напряжения с гигаомным входом. АКИП В7-78/1 показал 30 пА, что довольно близко к типовому входному току применённого в нём ОУ LTC1050. Datron 1271 и Solartron 7081 – другого поля ягоды: 1 и 0,2 пА соответственно. У первого асинхронный МДМ на 18,8 Гц, у второго – на 50 Гц. Ещё приятно удивил UT61E



Ток утечки электромагнитных реле:



Обычная кабельная канифоль:



Какие выводы я для себя сделал?
1. Для решения подавляющего большинства вышеперечисленных задач вполне достаточно только 2-х пределов измерения: 4 и 4000 пА. Т.е. можно ограничиться только двумя «коробочками» и не множить сущности без необходимости.
2. Отсутствие расширенной защиты входа и переключателя поддиапазонов оправдано лишь при измерении на фемтоамперном пределе. Во всех остальных случаях доставляет только неудобство.
3. Желательно минимизировать ёмкость на землю той цепи, которая подключается ко входу приставки, поскольку запас устойчивости усилителя ограничен.

Класс!
Канифолью и герконами впечатлили до крайности!
Интересно было бы узнать утечки стекла и ФАФ на расстоянии 10 мм. При наличии газа вплавить в стеклянный стержень металлические электроды не должно доставить сложностей. Как вариант - цоколь от разбитой лампы с уже вплавленными контактами. Особо интересны результаты при хотя бы двух температурах (как стеклянный штырь проводит ток, будучи разогретым докрасна, я уже видел. А вот при комнатной температуре...)
1 метр МГТФЭ (ОС) измерять не пробовали?

Можно рассчитывать на примерно петаом. Но емкость приличная для таких токов, поэтому время установления показаний тоже относительно большое.

P.S. Стекло не проверял, но проверял утечку сапфирового изолятора триаксиального BNC разъема (диаметр изолятора около 4мм). Ток утечки при испытательном напряжении 15В составил около 15-20аА. Впрочем, фторопластовый изолятор другого триксиального разъема имел сопоставимую утечку. Основная разница была в установлении показаний, фторопласт значительно дольше устаканивался.

Круто получилось. А где терраомные резисторы удалось найти? Я все что не искал нигде не находил, либо в районе $50 за штуку

Устаревший и снятый с производства диод JPAD50 с гарантированным обратным током не более 50 пА и впрямь показывает сравнительно малую утечку (~1 пА).

Михаил, здравствуйте.
Судя по фотографиям, у вас применены резисторы типа Welwyn серии 381х.
Судя по даташиту, у них по ТКС параметры не очень.
Вы их обмеряли перед установкой?

И ещё. При наличии свободного операционного усилителя, вы не сделали эквипотенциальных защиту входного разъёма.
Если у Вас есть в пределах доступности триаксиальные разъёмы и кабель, это можно было бы сделать.
Успехов!

Сергей, спасибо за вопрос. При обосновании выбора типа резисторов я руководствовался в первую очередь тем перечнем задач, которые были сформулированы на этапе ТЗ. Как видите, 9 из 10 задач не требуют обеспечения высокой температурной стабильности коэффициента преобразования ТИУ. Более того, при измерении в пикоамперном и тем более фемтоамперном диапазоне токов температурная погрешность - это самое последнее, на что приходится обращать внимание, т.к. эта составляющая погрешности просто тонет на фоне других источников. На фемтоамперном уровне вообще, можно сказать, начинаются чудеса. Я не без удивления наблюдал вчера, как приставка уверенно фиксировала ток перезарядки в несколько фА при изменении потенциала проводочка, находившегося в измерительной камере примерно в 10 сантиметрах от свободного входа приставки - штырька 1,5 мм диаметром, заподлицо с изолятором.
Резюмирую: температурный коэффициент, коэффициент шума, коэффициент напряжения - это не то, что ограничивает выбор резисторов для ТИУ в форме простой карманной любительской приставки. Скорее ограничивает доступность и цена. КВМ, Welwyn и иже с ними ещё можно купить на ebay или местных барахолках/магазинах по разумной цене ~100...200 руб/шт. А вот Vishay, Caddock, Ohmite и все остальные, с малым температурным коэффициентом, сделают приставку в 20-50 раз дороже, но без существенного улучшения потребительских свойств. Впрочем, я не навязываю свою точку зрения. Поэтому приведу известную в узких кругах сводную таблицу сверхмегаомных резисторов импортного производства и порядок цен при заказе на "маузере":



По вопросу эквипотенциальной защиты входного разъёма. Идеальный ТИУ, в отличие от усилителя напряжения, имеет всегда один и тот же потенциал входа 0 вольт и для защиты от токов утечки должен быть окружён таким же потенциалом. Именно поэтому и корпус приставки, и корпус измерительной камеры соединены с нулём. Применение активной защиты на ОУ в этой ситуации оказалось бы не просто бесполезным, а даже немножко вредным. Ведь пришлось бы заботиться не только о смещении нуля основного ОУ ТИА, но и о смещении нуля ОУ защиты.

Почитал теорию.
Конечно вы правы.
Для ИНУТ эквипотенциальная защита входа не нужна.
А так как данная приставка рассчитана для выполнения определённой операции (с которой она великолепно справляется), то не стоит плодить сущностей

Михаил, добрый день.
Как мне кажется, в приведённой вами схеме входы ОУ не сбалансированы по входному сопротивлению. То есть в цепь неинвертирующего входа я добавил бы резистор 100к между R4 и выводом 3. Правда для ИНУТ трудно определить сопротивление источника, но сбалансировать схему не помешает.
И второе. Цепь балансировки не подсаживает питание? Я думаю, не хватает резистора между подстроечником R6 и R4.

Что по мне, так только бы выключатель питания заменил бы на кнопочный двухпозиционный
Но это так.. эстетика.
А так - законченная сбалансированная приставка.

Использованный ОУ имеет ПТ на входе и типовой ток смещения 2 фА, а входное сопротивление более 1 ТОм. При этих условиях выравнивание сопротивления не имеет смысла, а токоограничительный резистор на инвертирующем входе можно даже увеличить с 100 кОм до 1 МОм.
Делитель R4-R7 рассчитан так, чтобы глубины регулировки гарантированно хватило для предельных случаев смещения нуля ОУ. Потребляемый при этом ток от источников питания ограничен 100 мкА, что несоизмеримо мало в сравнении с током потребления ОУ.

Заставили задуматься о причинах.
- Это ёмкостная связь (ориентируюсь на выделенное слово)?
- Утечка через воздух? Если в помещении работает ультрафиолетовый обеззараживатель воздуха, то при повышенной концентрации ионов озона это может быть?
- По повышенной влажности?

Спойлер

Нечто подобное наблюдал, когда соорудил индикатор постоянного электрического поля. Показания менялись даже при самом медленном перемещении антенны (кусок оцинковки 100х100мм на фторопластовой ручке) в воздухе. Потом выяснилось, что неподвижная антенна антенна ловит мои перемещения, дело было заброшено. Зачем мне такой громоздкий ёмкостный датчик движения

Ёмкостная связь. Это было хорошо видно при смене полярности. Щёлк энкодером в одну сторону, на проводочке +10 В, на выходе приставки возникают сколько-то мВ и плавно уменьшаются. Щёлк энкодером в другую сторону, на проводочке -10 В и всё повторяется, только с другим знаком.

Это именно ток заряда емкости.
Для ориентира дифференциатор №2 из комплекта калибратора НК4-1 имеет дифференцирующий конденсатор емкостью 1пФ, а дифференциатор №3 по сути, формирует конденсатор емкостью 0.1пФ. Именно на этих конденсаторах и формируется выходной ток калибратора.
Так же если говорить про емкости, в электрометре В7-45 для диапазонов 1пА и ниже, используется интегрирующая емкость номиналом 10.5пФ. При этом длительность цикла интегрирования, составляет более 10минут.

Впрочем, тут можно добавить еще один аспект. Так как электрод (которым и является проводником) находится под потенциалом, то по сути мы еще получаем плохонькую но все же ионизационную камеру. Впрочем, учитывая недостаточную чувствительность этих приставок. Ионизационным током - можно пренебречь.

Добавлено after 1 minute 23 seconds:

А если подать линейно нарастающее (или убывающее напряжение), то мы бы увидели постоянный ток.

Интересно, а какого типа должен быть конденсатор С1 особенно для резистора 1 ТОм.

К72П-6 или ФТ наверное

Я заказывал нужного номинала полипропиленовые конденсаторы Siemens B33062 с улучшенной защитой от влажности. Их минимальное сопротивление изоляции 50 ГОм вполне достаточно для работы в паре с R1<10 ГОм.
В случае, когда R1 порядка 0,1-1 ТОм, ёмкость корректирующего конденсатора становится соизмерима с ёмкостью монтажных проводников и самого резистора. Поэтому вместо С1 целесообразно использовать конструктивный конденсатор, например, из отрезка МГТФЭ или куска фторопластовой трубки с центральной жилой и обмоткой.

Понятно.
Есть коаксиальный кабель RG402 CF-141-50-FEP с тефлоновой изоляцией,
погонной емкостью 95 пФ/м и сопротивлением изоляции 1000 МОм*км.
Из примерно 35 см куска можно сделать 33 пФ конденсатор.
Немного габаритно, конечно, но зато гарантировано сопротивлением
не менее едениц ТОм и без поисков волшебных конденсаторов.
Для 1-3 пФ по идее вообще самое то.



Эти конденсаторы на такие малые емкости не выпускались вроде как.

Держатель резистора и конструктивная емкость в В7-49:




Тут вы правы.

По кабелям могу еще добавить АВК-6 с погонной емкостью 130пФ/метр.

Знаю что тема старая но вопрос дешевых стабильных высокомных резисторов стоит до сих пор. Недавно на алиексперсе появилось множество китайских толстопленочных резисторов на разные размер\мощность и форму. Заявлен ТКС 200ппм и точность 10%. Ну и самое главное цена, за резистор 10Гом просят 1$ за шутку, за 1Гом 0.1$, за 1000ГОм 8$ долл. Не реклама, ссылка без ничего но в этом магазине все есть
https://twjohmresistor.aliexpress.com/store/912607391
Нет термокамеры к сожалению померять ТКС но визуально 10ГОм резистор при помещении в тепулю антистатическую измерительную камеру, на тераомметре, 5-й разряд практически не шелохнется. Сравниваю с КВМ, то в КВМ младшие 3 разряда плывут сразу. Тераоометр имеет точность 0.05% до 50Гом.