[参考译文] LMC6001：LMC6001

您好、Allen：

根据 Keithley 低电平测量手册：  电表是高度精练的直流万用表。 因此、它可用于传统直流万用表执行的许多测量。 此外、电表的特殊输入特性和高灵敏度使其对电压、电流、电阻和电荷的测量能力远远超出传统 DMM 的测量能力。

我当然建议您使用 LMC6001来进行这些类型的测量。 我看到您特别关注 pF 电容器的电压测量。 请问这个电压是如何产生的？ 这些电容器是否与较大的电路或传感器相连？ 您要尝试测量的电压幅度是多少？ 这是直流还是交流电压？ 如果是交流电、频率是多少？

如果您能告诉我有关应用和任何特定设计要求的更多信息、我可以帮助您提供符合您需求的放大器原理图。 简单来说、除了特定的 TI 放大器或其他 TI 器件、我将无法为您的最终设计提供完整的物料清单。 我可以 建议放大器电路(即电阻器、电容器等)所需的一般元件值和材料

此致、

扎赫

大家好、Zach：

 感谢您的帮助！

我已经构建了两个平行板电容器(电容器 A 和电容器 B)。  它们都在5nF 范围内。  电容器的设计使我能够分离+板和−板并在电容器之间切换。  例如、我可以组装 A+和 B−以及 B+和 A−板、然后对两个电容器进行新的电压测量。  我还可以布置 A+和 B+板以及 A−和 B−板、然后再次在两个电容器上获取新电压。

理论上、开关 A+/B–和 B+/A−板之间的电压测量值应与 A+/A−和 B+/B−板基本相同。  −地、在−上、A+/B+和 A Δ V/B 之间的电压测量值应为0VDC。  然而、在实践中、上述测量值与理论测量值不太可能相同。  因此、我想使用电表放大器并进行精确的电压测量。  对于单独的电容器项目、测量对我很重要。

我可以从 Leybold、Pasco 和3B Scientific 购买现成的电表放大器(链接如下)。  但是、我更愿意自己构建它。  我还没有找到可用于构建电表放大器的任何基本的在线电表放大器电路原理图。  我包含了相关链接、以便找到最接近的示例(见下文)。

以下是我对您的问题的解答：

1. 您是否特别关注 pF 电容器的电压测量？  我构建的电容器在5nF 范围内。  我有兴趣如上所述测量电容器两端的电压。

2. 请问这个电压是如何产生的？  该电压将由一系列带电位计的9Vdc 晶体管电池生成、以支持0VDC 至100VDC 输出。

3. 这些电容器是否连接到更大的电路或传感器？  这些电容器并未连接到更大的电路。

4. 您尝试测量的电压幅度是多少？  我要测量的最大电压是100Vdc。

5. 这是直流电压还是交流电压？ 如果是交流电、频率是多少？  我将使用直流电压。

希望上述内容对您有所帮助。  我期待收到您的回复！

谢谢。

艾伦

现成的电表放大器

1. https://www.leybold-shop.com/physics/physics-equipment/electricity-electronics/electrical-measuring-instruments/measuring-amplifiers/electrometer-amplifier-53214.html
2. https://www.pasco.com/products/lab-apparatus/electricity-and-magnetism/electrostatics-and-electric-fields/es-9078
3. https://www.3bscientific.com/us/electrometer-230-v-5060-hz-1001025-u8531408-230-3b-scientific,p_612_16606.html

 电表放大器电路示例

1. http://graphite.chemistry.nd.edu/hardware/post/electrometer-build-instructions/
2. https://scholarworks.wmich.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=4276&context=honors_theses
3. http://amasci.com/electrom/sas51p1.html#Electro

大家好、Zach：

 感谢您的帮助！

我已经构建了两个平行板电容器(电容器 A 和电容器 B)。  它们都在5nF 范围内。  电容器的设计使我能够分离+板和−板并在电容器之间切换。  例如、我可以组装 A+和 B−以及 B+和 A−板、然后对两个电容器进行新的电压测量。  我还可以布置 A+和 B+板以及 A−和 B−板、然后再次在两个电容器上获取新电压。

理论上、开关 A+/B–和 B+/A−板之间的电压测量值应与 A+/A−和 B+/B−板基本相同。  −地、在−上、A+/B+和 A Δ V/B 之间的电压测量值应为0VDC。  然而、在实践中、上述测量值与理论测量值不太可能相同。  因此、我想使用电表放大器并进行精确的电压测量。  对于单独的电容器项目、测量对我很重要。

我可以从 Leybold、Pasco 和3B Scientific 购买现成的电表放大器(链接如下)。  但是、我更愿意自己构建它。  我还没有找到可用于构建电表放大器的任何基本的在线电表放大器电路原理图。  我包含了相关链接、以便找到最接近的示例(见下文)。

以下是我对您的问题的解答：

1. 您是否特别关注 pF 电容器的电压测量？  我构建的电容器在5nF 范围内。  我有兴趣如上所述测量电容器两端的电压。

2. 请问这个电压是如何产生的？  该电压将由一系列带电位计的9Vdc 晶体管电池生成、以支持0VDC 至100VDC 输出。

3. 这些电容器是否连接到更大的电路或传感器？  这些电容器并未连接到更大的电路。

4. 您尝试测量的电压幅度是多少？  我要测量的最大电压是100Vdc。

5. 这是直流电压还是交流电压？ 如果是交流电、频率是多少？  我将使用直流电压。

希望上述内容对您有所帮助。  我期待收到您的回复！

谢谢。

艾伦

现成的电表放大器

1. https://www.leybold-shop.com/physics/physics-equipment/electricity-electronics/electrical-measuring-instruments/measuring-amplifiers/electrometer-amplifier-53214.html
2. https://www.pasco.com/products/lab-apparatus/electricity-and-magnetism/electrostatics-and-electric-fields/es-9078
3. https://www.3bscientific.com/us/electrometer-230-v-5060-hz-1001025-u8531408-230-3b-scientific,p_612_16606.html

 电表放大器电路示例

1. http://graphite.chemistry.nd.edu/hardware/post/electrometer-build-instructions/
2. https://scholarworks.wmich.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=4276&context=honors_theses
3. http://amasci.com/electrom/sas51p1.html#Electro

您好、Allen：

感谢您的详细描述。 如果您能提供 电压发生器的原理图以及该发生器与电容器的连接方式、我将给出相关帮助。  

理论上，开关 A+/B–和 B+/A−孔板之间的电压测量值应基本与 A+/A−和 B+/B−孔板相同。

我同意这一点、电压将由您的电压发生器设置。 因此、我认为这个测量值就是发电机的输出电压？  您能解释一下吗？

理论上，A+/B+与 A−/B−之间的电压测量值应为0VDC

请参阅上面的、如果两个极板连接到同一个节点、您将测量相同的电势电压。

电压将由一系列带有电位计的9VDC 晶体管电池产生，以允许0VDC 至100VDC 输出。

我 谨提醒在50V 以上的电压下工作、因为在电气行业中、任何高于50V 的电压都被视为"高压"。 必须采取额外的安全防护措施、以确保带电电路中存在>50V 的电压。 当涉及到您计划搬运和切换的裸露电容板时、这尤其危险。 除非有低阻抗路径可供安全放电、否则电容器将长时间保持电荷。

当电路断电时、会发生常见故障模式、但电容器 未提供放电路径、因此会继续保持100V 电势。 有人假设电路已断电并可以安全地 触摸组件 、 电容器就会放电到他们的身体中。

通常、只有经过特殊高电压培训的人员才能在>50V 的电压下工作、并且整个电路和连接必须封装在高压箱中。

此外、LMC6001是一款15V 器件、其绝对最大值为16V。 任何超过绝对最大值的值都将损坏器件。

听起来您要在高共模电压的情况下测量一个较小的差分电压。 在这种情况下、INA149等差分放大器将更适合您的设计。

https://www.ti.com/product/INA149

此致、

扎赫

大家好、Zach：

我的电压发生器只是几节串联的9VDC 晶体管电池。  正如您建议的那样、我要将工作电压限制在50VDC 以下。  也就是说、我会将自制电容器的充电电压< 50VDC。  然后、我将使用分压器将 LMC6001电路的电压输入降低到15VDC。

我最好以如下方式解释我的项目： 如果我将1nF 电容器充电至50VDC、然后使用具有10MΩ Ω 输入阻抗的标准 DMM 测量电压、电容器将在短短2x10-4秒内放电至49VDC。  但是、如果我将1nF 的电容器充电至50VDC、然后使用具有10TΩ Ω 输入阻抗的电表放大器测量电压、电容器将在202秒内放电至49VDC。  因此、我基本上可以在不对电容器放电的情况下测量电压。  我想将电压发生器连接到自制电容器、将电容器充电至50VDC、断开电压发生器、然后测量电容器上的电压大约一分钟、而不会使其放电。

基于上述信息、LMC6001是不是正确的 IC？  如果需要、TI 是否有可用于构建电表放大器的 DIY 运算放大器评估套件或原理图？  我在https://www.ti.com/tool/DIYAMP-EVM?login-check=true#tech-docs 上找到了一些 DIY 运算放大器评估套件。  除了电表放大器、它们看起来正是我要寻找的。  我可以使用 EVM 板上的11个 DIY 电路中的任何一个来构建电表放大器吗？

谢谢。

艾伦

您好、Allen：

感谢您的澄清、我相信我理解您的要求。  您需要一个高阻抗放大器、以便在您从电容器上断开电源电压时、可以长时间保持和测量电容器电压。

我在您的示例中看到、您正在使用 RC 时间常数根据以下公式确定放电时间：Vcap (t)= V*e^(-t/RC)

在这些假设下、您是正确的、较高的 R 将允许电容保持其电压更长时间。

现在、如果您计划使用分压器将50V 降低到 LMC6001的安全可测量范围、实际上是在降低放大器的有效输入阻抗。  MΩ、有效阻抗现在受分压器阻抗的限制、在本例中为14.3k Ω。 使用远高于该值的电阻值是不切实际的、因此不能使用电阻分压器。 则需要降低最大电容器电压。

请参阅、放大器的输入阻抗实际上由输入晶体管对的输入偏置电流(Ib)决定。 如果您从电路中移除任何电阻分压器、并按如下所示将电容器直接连接到放大器输入端、则电容器将根据以下公式放电：

Ib = C*dV/dt

其中、Ib 是放大器的输入偏置电流、dV/dt 是电压随时间的变化。

请参见、了解一款 Ib 为~10pA 的通用运算放大器、在60s 的间隔内、电压会下降120mV。

您可以确定 IB 要求、具体取决于 60秒间隔内所容许的压降量。

例如、如果您将输入电压降低到20V、并且需要在60秒的间隔内出现0.1%的误差：

5nF x (20mV/60s)= 1.6667pA

请记住、对于大多数放大器、IB 会随着输入电压的升高而增加、这是大幅降低输入电压的另一个参数。

您的输入电压是否有理由这么高？ 您能降低至10V 吗？ 20伏？ 3) 30V？

您所需的测量分辨率/误差容限是多少？

谢谢。

扎赫