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宮さん
タイトル
フェムトアンペアの測定
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アクセス9991
カテゴリーアンプ&コンパレータ
キーワード OP-AMP   フェムトアンペア   形名   微弱電流   測定   Powered by Yahoo
投稿日時10/07/26 22:07
数fAから100nAまでの微弱電流を測定する回路を教えてください。超低入力バイアスのOP-AMPを使うことは分りますが、OP-AMPの形名、回路構成、常温の+/-20℃に対する温度補償回路付きを教えてください。

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NickNameHama 回答番号 9
タイトル
参考回路
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アクセス9905
投稿日時10/08/05 00:11
トランジスタ技術誌の86年3月号は「計測回路技術の徹底解明」という特集で,フェムトアンペア計測に参考になる技術解説や具体的に試作した回路があります.

ケースレー社のエレクトロメータの内部回路の解説は大変参考になるもので,接合部の熱電対現象による起電力を抑える話やサファイア絶縁や三重同軸ケーブルの話が出てきます.

特集記事で製作しているピコアンペアメータは,0.1pA程度ですが,回路自体はとても潜在的な能力があるので,部品を現代的なものに変更して,切り替えスイッチも沖田製作所の高絶縁リレー(10E14)を使うなどすれば,フェムト計測も遠くはないと思います.

確か出版社ではバックナンバーサービスがあったかと思います.あとは国会図書館でしょうか.

PNP-NPN 回答番号 8
タイトル
超低バイアスのOPアンプ
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アクセス10640
投稿日時10/07/28 11:17
 1pA以下の超低電流まで測定するというのは、大変な特殊技術です。多くの方々が指摘されているように、測定系全体の物理的構成や保管方法、洗浄方法などかなり気を使いながら行なう必要があります。アナログメーカーとしては、J-FETやMOS-FET入力のOPアンプがポピュラーになっている現在、その入力バイアス電流をどのように測定してスペック保証するのかという大きな問題があります。 この測定方法については、別に項を改めて紹介したいと思います。
 低電流測定するにはいくつかの方法がありますが、一般的なものは低バイアス電流のOPアンプ(エレクトロメータ用と称されています)を用いた電流電圧変換器か、積分器を使用した回路でしょう。そのためにいくつかのOPアンプが紹介されていますが、ここで紹介するアンプは、ICアンプが今のところまったく到達できない優れた低バイアス性能を持っています。データシートを添付しますのでご覧ください。(ファイル圧縮しすぎて読みにくくなりました。すいません) かってアナログ社で製造、販売していたOPアンプですが、今は製造していません。しかしこのアンプの製造、販売権はIntronicsという会社に移され、今でもIntro社で製造され、一般に販売されています。日本ではアナログテック社が販売店として扱っていますので、入手可能なはずです。(下記のテック社のサイトをご覧ください)
 さてこの310,311というOPアンプは、シールドを兼ねたダイキャストケースに入ったモジュールです。ピンを除いて8cm×4.2cm×1.8cmぐらいの6面金属パッケージで、ピンはテフロンのブッシュを通してケースから出ています。(分厚いダイキャストで武器になりそうなぐらい頑丈です) 内部は、ほぼ全てディスクリート部品で構成されています。
 このアンプの最大の特徴は、10fAmaxという入力バイアス電流です。実際の実力値は、周囲の条件にもよりますが数fAというところです。このアンプを使うための特性のソケットも要されていて、ピンは全てバージンテフロンのソケットで受けるようになっていて、高インピーダンスの回路はこのテフロン端子間で行なうようになっています。 そしても回路部分はやはり専用のシールドカバーにより全体を覆うことができるようになっています。(アンプそのものは、ケースによりシールドされる) 実システムでは、この回路部分を密閉したケースに入れて、除湿材も一緒に封入したことがあります。露出したままだと、日本の梅雨時には、性能が出ませんでした。パッケージや基板、高抵抗部品の表面を流れる電流の方が、入力電流より大きくなったのではないかと思います。
 このアンプの回路的な特長は、低バイアスを得るために入力がバラクタ・ダイオード・ブリッジになっているということです。入力電圧によりこのブリッジのCのバランスが崩れることにより、信号を伝送しました。このブリッジはAC励起で一度信号をACにするので、動作としてはチョッパーアンプのように見えます。この辺の説明はデータシートをご覧ください。入力のバラクタ・ダイオードのペアをうまくセレクトすることが、このアンプの最も重要な回路要素になります。310と311はその特殊な入力構成のため、反転入力と非反転入力が等価ではなく、反転回路用と非反転回路用でモデルが異なります。310が電流・電圧変換などに使用する反転型、311は非反転型です。
 ICタイプのOPアンプでも1pA以下の低バイアス・アンプがでてきていますが、まだ310,311に追いつ
くものはありません。これらのアンプは、誕生以来40年近く現役で使われていまが、この低バイアスという特殊技能のおかげだとおもいます。

アナログテック株式会社のサイトURL

http://www.analogtech.co.jp/

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tamanyan 回答番号 7
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低リーク絶縁物
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アクセス9795
投稿日時10/07/28 03:09
数fAを測定したいというお話ですが、このくらいの電流になると回路部品はもちろんのこと、実装が難しいですね.
テフロン基板のカタログを見てみると、体積抵抗で10の16乗[Ω・cm]、表面抵抗で10の15乗[Ω]のオーダーですから、この湿度が高い時期に「熱い吐息」でもかかればよろめきは必至、かなり危ないです.
1pAを切ったら、そろそろ合成樹脂や普通のガラス、磁器は絶縁物として怪しくなってきて、使えそうなのは合成サファイアや石英ガラスといった素材でしょう.
テフロンを使うなら、アルコールできれいに洗浄して沿面距離を十分に確保し、ガードをしっかり取る必要があると思います.
食後に手を洗わずに基板に触るなんて言語道断です.
測定回路全体も、乾燥剤と一緒に気密容器に入れるとかしないといけません.
古くなった測定用リード線やコネクタもいけませんね.

というようなことを考えると、100年も前に電子の電荷を測定した「ミリカンの油滴実験」というのは、実に巧妙な方法です.
今日の最新技術を使っても、同じ測定をするのは、なかなか難しいです.


Greenline 回答番号 6
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テフロン端子
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アクセス10103
投稿日時10/07/27 21:44
宮さん、dongdongさん、あらためてこんばんは。

宮さんの「個々の回答者にコメントする方法が…」というご質問については、順番にコメントを記載していくシーケンシャルな方法なので、あいにく個別にはできないシステムになっております。とはいえ、お返事書き込んでいただけたことで十分ありがたく思っております。

さて、早速dongdongさんから「テフロン端子」のURLを書き込んでいただきましたが、まるで旅行先で偶然お会いしたような感じで、私もMAC8のものを紹介するつもりでおりました。

dongdongさんが示していただいたURLにある、FX-3という端子です。チップワンストップ、RSコンポーネンツで購入が可能です。1本が高めですが、RSコンポーネンツは10個~でコストが高め、チップワンストップは100個~でコストが安め、という感じになっております。

このFX-3というテフロン端子は上側と下側の端子が絶縁されていますので、スルーホール実装での絶縁に便利です(SMT品もあります)。
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宮さん 回答番号 5
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fAの測定に関するアドバイス、ありがとうございました
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アクセス9856
投稿日時10/07/27 21:10
初めて掲示板に書き込みをしました。皆さんのアドバイス、ありがとうございます。個々の回答者にコメントする方法が分りませんので、本文にてお礼を述べさせて頂きました。

dongdong 回答番号 4
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OP-AMP等の部品
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アクセス10076
投稿日時10/07/27 20:29
OP-AMPは他社製品のため勧めにくいんですがこれ、回路構成は「代表的アプリケーションのブロック図」を参考に。
http://www.national.com/JPN/ds/LM/LMP7721.pdf
なお、p.5「Input Bias Current vs. VCM」は見方がわかりませんが、質問者もわからないようなら温度補償回路と併せてメーカーに問い合わせてみてください。

高精度アナログ回路の経験が無いと、半導体以外の部品がわからないと思いますが、高抵抗はここ
http://www.jfine.co.jp/e_c/pdf/j_pdf/j_hp.pdf
http://www.jfine.co.jp/e_c/pdf/j_pdf/j_sm.pdf
電源のパスコン以外のコンデンサは、ポリプロピレンフィルムがお勧めです。
テフロン端子はここです。
http://www.mac8sdk.co.jp/mac8/serch/kind/jpn/teflon.html
なお、LMP7721は面実装の為、基板はテフロン基板がいいかも。

エレクトロメータはここ
http://www.keithley.jp/products/locurrhiresist
資料はここにあります。
http://www.keithley.jp/knowledgecenter

Greenline 回答番号 3
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1fA(いち・フェムト・アンペア)とは?
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アクセス10041
投稿日時10/07/27 17:12
電子の電荷は、約1.6E−19クーロン、1fA = 1E-15アンペア…

Q = itでありますから、

1fAは1秒間に電子が約6250個移動するわけですね!

たったそんな量であることに驚くとともに、これを広帯域で測定したら(もしノイズフリーでできたら)結構なノイズに見えるんでしょうね…(←離散した電流がパルス状にと考えて)。

またもやゴミでした(^o^;

Greenline 回答番号 2
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Re:フェムトアンペアの測定
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アクセス10004
投稿日時10/07/27 17:06
宮さん、dongdongさん、こんにちは。

宮さん、はじめまして!書き込みありがとうございます。とても低い電流計測のお話ですね!

dongdongさんからご紹介いただいたページ、見てみました。昔の記憶で、この記事は紙で見た記憶もあります。「そうだ…この基板だ…」と写真を見て思い出しました。dongdongさんからご紹介のあったページのうち、4枚目、

http://ednjapan.cancom-j.com/issue/2007/8/4/3549/4

の一番下にケースレーの記事、ハンドブックの話題が出ています。これも参考になるのだろうと思いました。たしかにdongdongさんご紹介のエレクトロ・メータも調べてみると、ケースレーのものが上位にサーチで上がってきますね。

私としては、添付のようにアナログ・デバイセズに製品で、IBの低い(300fA以下)OPアンプを選んでみました。パラメータとしてIoffset, Vnoise, Inoiseも入れてみました。ご参考になれば幸いです。このEDNの記事にあるAD549もリスティングされていました。

それと関連する書籍としては、

●松井邦彦; OPアンプ活用100の実践ノウハウ, CQ出版社のp.73以降
●アナログ・デバイセズ, 電子回路技術研究会(訳); OPアンプによる信号処理の応用技術(OPアンプ大全第2巻), CQ出版社のp.191以降

がご参考になろうと思います。

ここら辺で話題になっている「テフロン端子」ですが、近々入手できる予定です(ホント、偶然ですね!)。写真を撮影したらまたこのスレッドにもアップしようと思っております。
※このデータをダウンロードするにはログイン(ユーザー登録)が必要です。

dongdong 回答番号 1
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Re:フェムトアンペアの測定
ポイント
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アクセス10053
投稿日時10/07/26 23:00
EDNに「フェムトオーダーの電流測定に挑む」とゆう記事がありました。
http://ednjapan.cancom-j.com/issue/2007/8/4/3549
別スレで取り上げられている無垢基板を使って作ってますね。
これを読むと参考になるってゆうか、「エレクトロ・メーター」買った方が早いかも?

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