Способи вимірювання струму в пікоамперах

Мені потрібно перевірити низьке енергоспоживання мікроконтролера в діапазоні пікоамперів . У мене є лише мультиметр, здатний вимірювати міліампер, і як такий він показує 0.

Чи існує простий і точний спосіб вимірювання пікоамперів?

Харчуйте мікроконтролер конденсатором, зарядженим до відомої напруги. Зачекайте відповідну кількість часу, а потім виміряйте напругу. Обчисліть струм від дельта-В і С. (Не вимірюйте напругу постійно, якщо у вас не є лічильник з досить високим опором, тому що це може призвести до додаткового струму.) Вам знадобиться конденсатор з відомою ємністю, але в крайньому випадку ви можете виміряти кептор таким же чином, розрядивши його через відомий резистор.

Як зазначають у коментарях, інші поточні шляхи можуть сприяти розряду конденсатора (включаючи саморозряд). Ви можете повторити вимірювання з вилученим UC та побачити, яке значення дає. Тоді ви можете подумати над тим, чи реально уникнути таких «інших» струмів у вашому дизайні.

І не забувайте про саморозрядження та / або старіння акумуляторів!

Якщо ви спрямовані на те, щоб занадто "бачити" режим відключення мікросхеми в дії, ви могли б використовувати конденсатор, побудувати просту ланцюг, яка періодично підключає його до джерела живлення (якщо можливо, синхронізований з циклом активності UC, повинен мати справжній низький струм витоку!), і слідкуйте за напругою C у межах (імпеданс сфери повинен бути вище, ніж споживаний струм UC, або ви навіть можете використовувати з'єднання змінного струму, якщо цикл активності UC досить короткий). Таким чином ви можете перевірити як часовий розподіл на велике і низьке споживання струму, так і струми в обох режимах.

Один простий метод, який я використовував, - це послідовно ставити резистор з потужністю до мікро і паралельно його конденсатору. Витік конденсатора не так важливий у цьому випадку.

Наприклад, якщо ви думаєте, що струм живлення повинен бути не більше 10nA, тоді ви можете використовувати резистор значення 10M 1% паралельно з керамічним конденсатором 1uF. Це дасть вам 100,0 мВ для 10nA (тому тягар амперметра становить 0,1 В, що не повинно надмірно впливати на ланцюг - підняти вхідну напругу трохи вгору, щоб компенсувати падіння, якщо це вас турбує).

Потім подивіться на напругу на 10М резисторі за допомогою вольтметра з високим вхідним опором, наприклад, Agilent 34401 в режимі вхідного опору> 10G. Струм зміщення лічильника впливатиме на показник, але він менше 30pA (0,3%) при кімнатній температурі.

Комбінація 10M / 1uF відфільтровує шипи, якщо вони не трапляються на дуже низькій частоті (якщо, наприклад, ваш процесор прокидається раз на 10 секунд і витягує 0,5 мА для 100usec, це буде не дуже добре).

Потужність або споживаний струм мікроконтролера можуть бути дуже нерегулярними, залежно від стану µC. Наприклад: 1pA для 999 мс, а потім 1uA для 1 мс. В середньому це було б 1.001 нА. Якби ваш мультиметр робив вимірювання кожні 100 мс, він ніколи не міряв би 1.001 нА! У цьому випадку вам потрібно використовувати резистор послідовно з джерелом живлення та осцилоскопом для вимірювання напруги на резисторі, щоб "побачити" фактичний струм у часі.

Більшість осцилоскопів задають імпеданс вхідного каналу. Це, як правило, близько Гігаома. Якщо ви помістите область в земний шлях ЦК (більшість областей з'єднують канал заземлення з землею, і ви, можливо, не зможете розмістити заземлення на VDD UC), ви будете вимірювати напругу на цьому резисторі, а отже, струм, який використовує UC, в режимі реального часу. Це повинно дати вам досить точні вимірювання (1mV => 1pA).

Давайте розглянемо питання, чи не хвилює батарея - тобто чи навантаження в діапазоні pA значно вплине на час роботи акумулятора?

Спойлер: Ні. Навіть вимірювання з роздільною здатністю 1 нА є більш "точними", ніж потрібно на практиці.

Найкращі первинні (не перезаряджаються) літієві батареї мають тривалий термін зберігання близько 20 років (можливо, 30% - втрата ємності на 70%), не маючи уваги до температур тощо. Типовими прикладами є

20 років - це приблизно 175 000 годин, тому втрата 10 мАг за цей час еквівалентна струму 10/175 000 мА або 10 000 000/175 000 = 57 = 57 000 пА. Тому вимірювання pA абсолютно не потрібне для будь-якого розміру акумулятора, який може бути використаний.

Наприклад, акумулятор на 50 мАг, скажімо, на 50% втратив термін зберігання через 20 років (хороший трюк, якщо ви можете це зробити) дозволить отримати 25 мАг для навантаження або середнього струму 142 500 пА = 142,5 нА = 0,1425 мА. Вимірювання до найближчого нА середнього струму навантаження дає приблизно 1% точності - що дозволить набагато точніше оцінити час роботи акумулятора, ніж ви знайдете в реальності. Практичні варіації заграють такі спроби.