最高等级的静电计(Keithley 642)拆解分析



  • 最近比较有空闲,折腾了一下手头上的一台Keithley 642。
    关于K642,张老师(lymex)之前有过分析,帖子在这里:

    http://bbs.38hot.net/thread-851-1-1.html

    用张老师的话说,“这是一款顶峰造极的静电计,最小满度档为0.2pA,最低分辨达到了惊人的0.01fA!至今还没后者能超过。相关看,其电流噪音指标0.08fA也是最小的,因此末位不确定度仅仅0.6fA。采用探头分离设计,这样可以排除干扰,便于屏蔽,方便接近被测试对象。”

    因对这个表的指标比较感兴趣,经历多番波折,弄到手一台,然后用自己的半吊子知识,做了一下分析,算是抛个砖。

    主机功能分析
    主机图:
    0000.jpg
    这个表的前置放大被独立出来,做成了单独的远程测量头。主机表身功能比较简单,电路图如下:
    0001_1.png

    可以看到,主机主要由以下部分组成:
    a. 4-1/2的AD转换,通过继承芯片完成的,比较简单;
    b. 参考电压,使用的是1N4577(基准电压6.4V),温度系数20ppm/K;
    c. 调零电路,为远程头提供0~6V范围的电压调整信号;
    d. 其它,包括供电、显示、保护和量程档位选择等;
    AD转换和显示部分,用的是比较成熟的方案,或者说叫芯片厂商提供的方案,如下图所示:

    0002.png

    使用了8052A和71C03(吉时利手册上是T103),进行AD转换后使用数位管显示。

    参考电压使用1N4577,噪音应该会比较低,20ppm的温漂系数比较大,但是,这个表的使用温度本身范围也比较窄,所以也不是大问题。根据手册,K642主要用于稳定的受控温度环境下,比如实验室。用作直流电压表时,使用温度为20℃~30℃,用作直流电流表或库仑计时,使用温度为25±1℃。手册内容见图:
    0003.png
    这里需要说明的是,手册中对于温度的描述,可能更多的是说远程头的使用环境温度。因为在我的使用过程中,发现主机里面对于热的处理比较粗糙。主机里面对于热平衡几乎没有处理,两个变压器都是巨大的热源(我的主机带有GPIB选件,所以有多出来的一个变压器),手摸GPIB选件上的变压器,温度应该在80度左右,非常烫。到后发现这个变压器温度这么高时,怀疑选件有损坏,所以进行排查,起先怀疑电容漏电,测试后发现电容指标还超出预期的好,然后顺着DC-DC查下来,没发现问题,功能也正常,另外,主机供电变压器也同样很热,这才推断可能吉时利本身的设计就是这样。
    因为对主机的指标和设计兴趣不大,所以也没有拍内部照片。借用38Hot论坛的一张照片吧:

    0004.jpg

    图上偏左上位置的那个金属封装的是晶振,参考电压的稳压二极管位于晶振上方的位置。虽然设计上已经让晶振和稳压管尽量远离热源了,但是我觉得效果不会太好。

    接下来重点看远程头相关设计和实现:

    远程头分析:

    远程头相关电路封装在一个整体铸铝的箱子里,净重超过4公斤,比主机重的多。

    0005.jpg

    远程头前部包括与主机的连接器(中间大的)、BNC封装的FEEDBACK、还有一个调节DAMPING LEVEL的电位器,以及输入低电平和接地端子。远程头顶部是由滑盖保护的输入高电平输入模块。远程头底部是一个内部湿度指示,图中显示的相对湿度应该是在30%~40%之间(通过颜色指示):

    0000_1.jpg

    拉开顶部的滑盖,可以看到由蓝宝石绝缘的输入模块:

    0006.jpg

    那块发黄的玻璃片样物体就是传说中最好的绝缘材料蓝宝石了。这里的滑盖起到防尘、防止电磁辐射等作用,另外,在使用输入端子时,还可以起到固定作用。比如下图中的输入端子(输入端子图片来自网络):

    0007.jpg
    0008.jpg

    输入端子/测量头腔体上有一根沟槽,被滑盖卡住,会非常牢固。
    输入端子内部结构见图:
    0009.jpg
    另一侧:
    0010.jpg
    虽然图片拍的不太清楚,但是可以看到基本结构是这样的:
    0011.png
    那个电阻是100K,对照原理图更容易看清:
    0011_1.png

    电路原理图里面的C113,是通过输入端子和外面的保护腔体形成的电容,所以实际上没有元件。C113是用于电荷平衡的,具体可以看原理图和手册,说起来这里的设计还是很巧妙的。C113和是通过腔体的防尘盖接到电路板的。电路板见下图(图里中间部分的棕色线就是C113的引线,没有接)
    电路板图:

    0012.jpg

    这张图是刚到手的时候的状态,应该是有故障,拆开后没有修好,然后引线没接就装起来了,好在没有经过乱修,也没有缺失任何部件。拆下主板和一块铝板之后,就可以看到输入保护腔体和反馈模块了。
    0013.jpg
    图中中间偏下部分是输入腔体,上面有两块单独的电路板,一个是输入缓冲的MOSFET板,另一个是输入保护(CR105)。围绕着输入腔周围是一圈反馈部件,分成两层,图里面显示的是第一层。

    0014.jpg

    这就是传说中的高值电阻了,精度5%的电阻,最大的一个电阻,原理图上标10^12欧的是由4个串联,标记阻值加起来是0.9*10^12欧姆,不到原理图中标注的10^12欧,其它的都是单个的。从原理图的反馈网络上看,因为有20%左右的调节范围,所以只要数量级对,这里的阻值误差可以接受,原理图在后面。
    MOSFET安装在独立的板子上。

    0014_1.jpg

    上面的图就是定制的MOSFET(Q201)和温度补偿二极管(CR201),紧贴输入腔体安装,一方面是保持温度一致,另一方面,从输入端子到MOSFET引脚采用悬空安装,中间不经过任何电路板或桥接柱。旁边的输入保护也采用类似的方式。从手册上的信息看,每一个MOSFET和温度补偿二极管都是经过筛选,并且经过工厂测试程序,确定温度补偿系数等信息,并将测试结果编码写到连接的排线上面:

    0014_2.jpg

    排线上的编码信息,用于设置图里面红色的拨码开关。从原理图上看,这两组拨码开关设置的是失调电压补偿参数和温度补偿缩放参数(用CR201二极管的温度系数补偿MOSFET的温度系数)。其中的第二组拨码开关是换向用的,这样就可以对MOSFET对里的任意一个进行补偿了。电路原理图如下:

    0015.png

    图中的开关处于电压测量状态,并且是ZERO CHECK状态。因为图上面已经把主要模块都标出来了,还是比较容易理解的。图里面的一个小错误是右下角的TP6,实际上应该是TP5。大体的框图是,主机提供的0~6V调零电压,经过U102,变成可调的恒流,再由R201转化成电压,用来调整MOSFET Q201的偏置。Q201由Q101提供恒流(约0.5mA)。Q201恒流源是通过稳压二极管VR104,经过R106、R109两个电阻和CR106、CR101两个二极管形成的带有温度系数补偿的基极电压来控制的。二极管的温度系数用来补偿Q101基极的温度系数。Q201 MOSFET在这里用作缓冲放大器,保证了手册上的10^16欧的输入电阻。电压测量时缓冲放大器进行1:1传递输出到U101运放,经反馈网络调整后1:1输出到主机和远程头的FEEDBACK接口。电流信号,缓冲放大器和反馈网络,转成电压信号输出。库仑计,是在C101上累积电荷,形成输出电压。这里的电流测量,采用的是反馈放大电路,简化后可以等价为下面的电路(来自吉时利低电平测量手册):

    0015_1.png

    我本身只是个搞软件的,更具体的电路分析我就不献丑了。
    接下来看一下这个远程头比较有特色的一些设计。
    前面提到输入端子那里是位于输入腔体中间的一根四方铜柱引入的,而这根铜柱同时用做了继电器控制的开关的触点。从图里面看起来比较清晰:

    0016.jpg

    从图上可以看到,原理图中的和输入相关的K102~K107,都是通过铜柱作为一个触点,另一个触点是由继电器控制的金属导线。这根导线的材质暂时未知,与铜柱的接触是在铜柱的棱部,只有一个是通过继电器吸合是“捅”到铜柱上进行接触的,其他的都是继电器吸合时,释放拉着的导线,依靠导线的弹力接触到铜柱的。这样做的好处是热电势可以做到很小,因为一方面相当于同材质接触(因为看上去导线和铜柱的材质一样),另一方面,继电器的发热对导线影响可以很小,因为距离和隔热的原因,另外,吸合时是释放导线,此时导线和继电器已经没有接触了,也可以降低继电器发热的影响。
    再来一个特写:

    0017.jpg

    这种方式的缺点是速度慢,但是用在这里显然是非常合适的。
    还有在主板上的两个继电器是没有经过改造的,和输入部分用的继电器应该是同一个系列:

    0018.jpg

    另一个:
    0019.jpg

    需要自己改造的可以按图索骥。我从某宝上找了一下,和这个很类似,但是电压不一样:
    0020.png

    还有一个比较有意思的是下图里面的:
    0021.jpg
    上半部分就是前面说到的仪表里面唯一一个用“捅”的方式连接的开关。这个对应的是原理图里面的K107,也就是调零用的开关,所以要求不太高,这个也是唯一和输入腔不完全悬空的开关。其他所有的开关和输入腔都是悬空无接触的。位于底部的那个圆柱状的是一个空气电容,我没有找到有关这个电容的任何信息,只能从原理图上看到这是一个20pF的电容(C101),套在触点导线外面的那个圆柱状物体是一个隔离罩,就是一个空管,应该是起到屏蔽作用的。
    需要说明的是,远程头里面的运放,放到今天来看,指标还是比较低的,比如U101,用的是LF356A,Vos典型值3mV,Vos温度系数5uV/K,Ios典型值3pA,Ib典型值30pA,带宽5MHz,噪声15nV/√Hz。单纯看指标,除了带有调整引脚之外,和OPA140差距还是挺远的。等有机会可以改成140试试,现在手头没有能够测出差异的设备和环境,所以只能先搁置。
    另外,对手头的远程头进行了相应速度的测试,测试结果是超过3KHz的正弦波会出现变形,3K以内,目测没有变形。测试非常粗糙,仅仅是通过输入端子接入信号,然后通过FEEDBACK获得输出信号,使用电压档位。
    另另外,关于弱电流的发生,除了常规的电压+高值电阻生成之外,手册中提到的,使用斜坡发生器和电容来生成微弱电流,等有机会可以尝试一下(可惜图里面提到的空气电容不好找):

    0022.png

    参数:

    0022_1.png

    后记
    拆解就说到这里啦,我水平有限,所以可能说的比较乱,也难免有错误,还请大家不吝指正。
    对于这个表,以后有机会可以尝试以下改造:

    1. 因为远程头(前置放大器)对于主机的依赖并不高,从原理图和实际的结构来看,无非是供电(24V、-15V)、调零(0~6V可调)、档位选择信号(应该是6V信号)等,所以可以使用高位表(比如我手头的HP3457A)来扩展量程、提高分辨率;
    2. 对远程头内部的运放进行替换;
    3. 制作BNC输入端子,依照手册里面的图纸应该不难;
    4. 因为我这台表没有6426选件(蓝宝石绝缘测试箱),等再有大的空闲可以考虑用老式铝饭盒当屏蔽箱,用某宝上定制的人造蓝宝石片做绝缘,自制一个试试。这个测试箱其实就是一个输入端子的扩展,内部都是引线直接连的,没有电路板。(图片是38Hot论坛的):

    0021_1.jpg

    题外话

    1. 因为没有查到Q201 MOSFET的相关资料,所以对这个元件有比较多的疑问。从原理图上看,这个MOSFET对好像把b给引出来了,这样一来也就没有了体二极管,这样类似的元件还能找到吗?我只找到一个SD210DE有这样的结构,但是从指标上看,栅极漏电流典型值依然达到1pA。

    0022.png

    1. K642里面的MOSFET对的标是哪个厂家,像C,像G,中间还像有个T的样子,没有见过呢,有知道的还请指点一下:

    0014_1.jpg