2.14 Милливольт-наноамперметр
Для того чтобы вольтметр
обладал большим входным сопротивлением
(несколько мегаом), вполне достаточно выполнить
его входной каскад на полевом транзисторе,
включенном по схеме истокового повторителя. В
отличие от часто используемого (для компенсации
дрейфа нуля) дифференциального каскада на этих
полупроводниковых приборах такое решение проще,
избавляет от подбора пары экземпляров,
идентичных по нескольким параметрам, что из-за
значительного их разброса требует большого
числа транзисторов, хотя и приводит к
необходимости подстройки нуля вольтметра. Так
как падение напряжения на входном сопротивлении
пропорционально прорекающему через него току,
прибором одновременно можно измерять и его.
Указанные соображения
позволили сконструировать простой
милливольт-наноамперметр, который обеспечивает
измерение как малых постоянных и переменных
напряжений, так и токов в высокоомных цепях. В
исходных положениях переключателей прибор готов
к измерению напряжения от 0 до 500 мВ или тока от 0
до 50 нА. Манипулируя переключателями, верхний
предел измерения напряжения можно понизить до 250,
50 и 10 мВ, а тока - до 25, 5 и 1 нА, или повысить каждый
из них в 100 раз (при нажатии кнопок «мВ X 100» и «нА X
100»). Таким образом, максимальные измеряемые
напряжение и ток ограничены соответственно
пределами 50 В и 5 мкА (большие значения могут быть
измерены обычными авометром с достаточно
большим входным сопротивлением и малым падением
напряжения). Входное сопротивление прибора равно
10 МОм при ненажатом или 100 кОм при нажатом
кнопочном переключателе «нА X 100». Максимальная
частота измеряемых переменных напряжения и тока
- не менее 200 кГц.
Принципиальная
схема прибора изображена на рисунке. Он состоит
из входного узла (R1, R3, С2, СЗ, SA1, SA2), истокового
повторителя (VT1), усилительного каскада (DA1),
устройства выбора проделом измерения и рода тока
(R9, R16, SA3, SA4) и измерительного узла (VD3, VD6, РА1, С5).
Истоковый
повторитель обеспечивает высокое входное
сопротивление прибора, согласно справочным
данным ток утечки затвора примененного полевого
транзистора может достигать 1 нА, что вроде бы не
позволяет измерять ток меньших значений. Однако
такой ток утечки возникает лишь при напряжении
между затвором и истоком, равном 10 В, а в приборе
это напряжение близко к нулю. Поэтому реальные
значения тока утечки намного меньше паспортного
и можно считать, что входное сопротивление
прибора определяется элементами входного узла.
Последний представляет собой
частотно-независимый делитель напряжения R1–R3, C2,
C3. управляемый переключателями SA1 и SA2,
расширяющими пределы измерения тока и
напряжения до 5 мкА и 50 В соответственно. Диоды VD1,
VD2 защищают транзистор VT1 от входных напряжений
опасного для него уровня.
В
усилительном каскаде применен ОУ К140УД1Б,
обладающий достаточно высоким коэффициентом
усиления и хорошими частотными свойствами.
Входное сопротивление усилителя – несколько
сотен килоом. На неинвертирующий вход ОУ с истока
транзистора VT1, поступает измеряемое напряжение.
Подстроечный резистор R5 служит для установки
нулевых показаний прибора при переключении
пределов измерения. ОУ охвачен цепью ООС через
измерительный узел и устройство выбора пределов
измерения и рода тока. С помощью переключателей
SA3 и SA4 к инвертирующему входу ОУ подсоединяют
один из резисторов R9–R16, переключателем SA4
микроамперметр РА1 включают в цепь ООС либо
непосредственно (при измерении постоянных
напряжения и тока), либо через выпрямитель VD3–VD6
(при измерении переменных величин). Для защиты от
бросков тока в момент выключения питания
микроамперметр замыкается накоротко секцией SA5.2
выключателя SA5 одновременно с отключением
прибора от сети.
В приборе применены резисторы
СП5 3 (R5) и МЛТ (остальные), конденсаторы К50-6 (С5, С8,
С9), К50-7 (С10, С 11). МБМ, КТ1, БМ (остальные),
микроамперметр М2003 с током полного отклонения
стрелки 50 мкА. переключатели П2К.
Вместо ОУ К140УД1Б подойдет
любой другой с соответствующими цепями
коррекции. Транзистор КПЗОЗБ можно заменить на
КПЗОЗА или КПЗОЗЖ, вместо диодов Д223, Д104 подойдут
любые кремниевые с такими же параметрами, вместо
Д18 – (германиевые диоды серии Д2 или Д9 с любым
буквенным индексом.
До
монтажа некоторые детали прибора рекомендуется
подобрать. В первую очередь это откосится к
резисторам R2 и R3. Их суммарное сопротивление
должно быть равно 10 МОм (допускаемое отклонение
– нс более ±0,5 %), а отношение сопротивлений R2/R3 –
99. С такой же точностью необходимо подобрать и
резистор R1. Для облегчения подбора каждый из
названных резисторов можно составить из двух
(меньших номиналов). Диоды VD3–VD6 подбирают по
примерно одинаковому обратному сопротивлению,
которое должно быть не менее 1 МОм.
Далее все детали, кроме
резисторов R10, R16, монтируют на платах после этого
включают питание и среднем положении движка
подстроечного резистора R5 подбором резистора R6
устанавливают стрелку микроамперметра РА1 точно
на нулевую отметку шкалы и переходят к
калибровке прибора. Вначале на входные гнезда XS1
и XS3 подают постоянное напряжение 10 мВ, и при
нажатой кнопке SA>3.1, подбором резистора R10
добиваются отклонения стрелки до последней
отметки шкалы. Затем входное напряжение
последовательно увеличивают до 50, 250 и 500 мВ и этой
же цели добиваются подбором соответственно
резисторов R13 (при нажатой кнопке SA3 2), R15 (нажата
кнопка SA3 3) и R9 (все кнопки – в положениях,
показанных на схеме).
Затем переключателем SA4
прибор переводят в режим измерения переменных
напряжения и тока и, последовательно подавая на
гнезда XS2, XS3 переменные напряжения 10, 50, 250 и 500 мВ
частотой 1 кГц, калибруют прибор подбором
соответственно резисторов R12, R14, R16 и R11. В
заключение при нажатой кнопке SA2 и входном
напряжении частотой 100 кГц проверяют калибровку
на одном из пределов измерения переменного
напряжения и, если необходимо, корректируют
показания прибора подбором конденсатора С2.