Elettrometro -...

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Strumentazione ad alta sensibilit ` a Motivazioni: - Misurare tensioni di piccola entità (inferiori ai microvolt), su sorgenti a elevata impedenza; - Misurare correnti di piccola entità (inferiori ai picoampère); - Misurare resistenze di elevato valore (oltre il Gigaohm); - ... . . . perché i multimetri sono inadatti - Elettrometro - Nanovoltmetro - Picoamperometro Strumentazione ad alta sensibilit ` a – p.1/22

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Strumentazione ad alta sensibilita

Motivazioni:

- Misurare tensioni di piccola entità (inferiori ai microvolt), su sorgenti aelevata impedenza;

- Misurare correnti di piccola entità (inferiori ai picoampère);

- Misurare resistenze di elevato valore (oltre il Gigaohm);

- . . .

. . . perché i multimetri sono inadatti

- Elettrometro

- Nanovoltmetro

- Picoamperometro

Strumentazione ad alta sensibilita – p.1/22

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Elettrometro

Misura:

- tensioni

- correnti

- resistenze

- quantità di carica.

Basato su A.O. con

- elevatissima resistenza d’ingresso;

- bassissima correnti di polarizzazione/offset

in modo da ottenere

- basso effetto caricante (misura di tensioni su sorgenti a elevataesistenza) e di elevate resistenze;

- bassa tensione di burden (misura di correnti).

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Elettrometro

Stadio di ingresso (voltmetro)

- senza attenuatore

- con amplificatore a reazione negativa di tensione serie

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� �

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� �� �

�����- eventualmente

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-

� �� fino alle centinaia di teraohm (

� � fino al teraohm).

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Elettrometro

Effetti dei generatori di polarizzazione/offset

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- se

� � è grande ( ��� ), il primo termine è quello prevalente

- occorre che le correnti di polarizzazione siano basse

-

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,

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con

� � � � � � �

.

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Elettrometro

Effetti del cavo di collegamento della sorgente

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-

��� abbassa la resistenza d’ingresso;

-

��� introduce un’attenuazione;

-

�� produce un transitorio: � � �� � ��� � � � � � ��� )

- la misura richiede il tempo necessario all’estinzione del transitorio.

-

�� � � � � � ��� � � � � � � � ��� !

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Elettrometro

Cavo triassiale1

2

3

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1

2

3

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Strumentazione ad alta sensibilita – p.6/22

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Coulombimetro

Strumento per la misura della carica elettrica (su un condensatore)

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-

� aperto,

� chiuso;

-

� aperto,

� chiuso;

-

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Coulombimetro

Effetti dei generatori di polarizzazione/offset

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��

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�� � ��

� � � �� � ��

��� �

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1. teoricamente misurabile;

2. errore sistematico (non eliminabile, né quantificabile)

3. impone lettura di� � in tempi rapidi.

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Picoamperometro

Strumento per la misura di piccole correntiConvertitore corrente-tensione:

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-

�� � � �

- errore dovuto a� � � cresce con

� �

- errore dovuto a� � � diminuisce all’aumentare di

� �

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Picoamperometri

Nella pratica ...

- Rimozione dell’offset (misura e sottrazione)

- Generatore di tensione interno

possibilità di polarizzare il campione sotto misura (caratt.

-

)

- Impiegato per la misura di resistenze elevate.

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Misura di piccole resistenze

- No tensione impressa:

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- variante del metodo a corrente impressaschema di principio:

nanovoltmetro

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�- nascono problemi con le resistenze dei collegamenti (e di contatto)

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Misura di piccole resistenze (2)

nanovoltmetro

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���

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- tensioni di termocoppia (effetto Seebeck)

� ������ ��� ������ ���

- doppia misura: e

differenza:

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Misura di grandi resistenze

strumento

HI

LO

cavo

� ��

���

��� ���

-

�� : resistenza di isolamento del cavo;

-

�� : capacità del cavo;

- � “grande”!

- parte di

��� scorre in� � !

-

��� � �� !

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Misura di grandi resistenze (2)

HI

LO

cavo strumento

i

m

e

����� ��

���

���

��

���

��

1

2

3

��� ��

���

� �

-

��� � e

�� � sottoposte a d.d.p. nulla (C.V.)

-

��� � e

�� � pilotate da generatore � ideale di tensione

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Nanovoltmetro

Limiti dell’elettrometro:

La necessità di mantenere basse le correnti di polarizzazione porta avalori non trascurabili di

� � � ;

L’elettrometro non è adatto per misurare tensioni nel range deinanovolt;

� strumento specifico: il nanovoltmetro.

Sistema di Misura

� �����

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��

��

- necessità di ridurre il rumore;

� filtro passa-basso (�

).

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Nanovoltmetro

Sistema di Misura

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Effetti del rumore della resistenza di sorgente:

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valore efficace:

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Nanovoltmetro

Per misurare tensioni dell’ordine del nanovolt:

� �� � � �

- Riducendo la banda (cioè �� ) si riduce il rumore introdotto,aumentando la sensibilità

-

� � è imposta dalle condizioni;

- (

� � grande � �� grande)

-

grande � sistema lento

- misure possibili su sorgenti di piccola resistenza

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Nanovoltmetro

Osservazioni:

� �� ��� �

� ��� � � � �

�� ��� � � � � � ��� � � � ��

��� � � � � � �� � �� ��� � � � � � �� � � � �

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� � � � � �� �� � � � �� � � � �

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��� �� �

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Condizioni ideali di misura

� Sarebbe conveniente:

- lavorare alla frequenza per cui

� �

è minima;

- lavorare con la resistenza di sorgente per cui

��

è minima.

Quadripolonon rumoroso

Quadripolorumoroso

���

��

� È possibile?

- la tensione da misurare è continua!

- la resistenza di sorgente è imposta dalle condizioni!

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Amplificatore a chopper (1)

1

2

1

2

���

��

���

����

��

��

��� ��

��

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Amplificatore a chopper (2)

� la tensione � � è un’onda quadra

- di ampiezza proporzionale a

� � ;

- di frequenza (

� �) data dalla frequenza di commutazione;

� l’amplificatore ha in ingresso un segnale a frequenza� �

(+ armoniche)

� l’amplificatore “vede” una resistenza

� �� � � �

����

che può essere portata al valore desiderato (agendo sul rapp. spire).

� possono essere integrati su singolo chip.

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Considerazioni finali

- tensione di rumore (termico): �� � � � � � � � � � � �

�� � ���� � �

�� � �� �

�� � �� �� �� � �� ��

�� �� �

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� � � �� � �

� � �� � � �� � �

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