Messung von Leckströmen

Messung von Leckströmen

Eigentlich wollte ich den Aufbau noch etwas verbessern und auch noch einige Messungen mehr machen, bevor dies Thema hier ein Artikel wird. Aber wie es dann immer so ist, ist bisher nicht wirklich etwas passiert. Darum schreibe ich nun doch jetzt schon etwas und reiche weitere Messungen dann ggf. nach.

Im mikrocontroller.net Forum gab es kürzlich einen Thread zum Leckstrom von diversen Schutzelementen für den Eingang einer sehr hochohmigen Schaltung. Der Threadstarter hat dort mit Hilfe von Simulationen mit LTSpice versucht geeignete Elemente zu finden. Diese Simulationen wurden natürlich von vielen Leuten beanstandet und ich konnte mir auch nicht vorstellen, dass derartige Parameter brauchbar in den Standardmodellen abgebildet sind.

Da stellte sich natürlich die Frage, ob man nicht mit ein paar Teilen aus der Wühlkiste einfach mal ein paar Dioden und Transistoren vermessen könnte, die man ebenfalls in der Wühlkiste liegen hat.

Als brauchbarsten OP in DIP, der vorhanden war stellte sich der OPA602 heraus. Dieser ist mit max 1pA bias current spezifiziert und sollte sich somit für ein paar Messungen im einstelligen nA Bereich sehr gut eignen. Dazu kam dann noch ein 1G Hochspannungswiderstand, der sich ebenfalls noch fand. Der OP wurde dabei als Transimpedanzverstärker beschaltet (heute mal keine hässliche Handskizze 😉 ).

OPA602_TIA

Das Ganze kam dann auf ein Steckbrett (wie sollte man sonst Messschaltungen für so kleine Ströme aufbauen? 😉 ). Dabei habe ich allerdings den Eingangspin des OPs nicht ins Steckbrett gesteckt, sondern diesen Pin hochgebogen und den 1G direkt angelötet.

Nach dem Einschalten der +/-12V Versorgung hat die Schaltung zunächst mit ca. 12MHz geschwungen. Mit ein paar Abblockkondensatoren direkt an OP und 100pF parallel zum 1G war die Schaltung ruhig und lieferte ca. 0,4mV (entsprechend 0,4 pA).

Das Ganze sah dann so aus:

leckstrom_aufbau

Auf dem Bild sieht man auch schon den 10G Widerstand (braun), den ich noch gefunden habe nachdem ich den 1G (blau) schon angelötet hatte. Der 10G wird mit den beiden roten Klemmen so gehalten, dass seine Anschlussdrähte nichts berühren. Der 10G Widerstand lag in Reihe zu meinem Knick DC Kalibrator, der 10V ausgegeben hat und so entsprechend 1nA in den Stromverstärker einprägen sollte. Dann habe ich den Raum verlassen (das macht bei dem offenen Aufbau einen sehr großen Unterschied) und eine Weile mit meinem HP3456A auf 100 NPLC gemessen.

1G_100NPLC

So exakt 1nA waren es natürlich nicht, weil die beiden Widerstände (1G und 10G) nicht super genau 1G bzw 10G haben. Ich habe die Spannung auf 9,907V stellen müssen um dieses Ergebnis zu erhalten (also etwas besser als 1%). Was imho viel beeindruckender an dieser Messung ist, ist die geringe Standardabweichung von nur ca. 5fA und 23fApp.

Mit dieser Schaltung habe ich dann zunächst den Leckstrom einer 1N4148 gemessen, die einfach zwischen Stromverstärkereingang und GND geschaltet wurde. Dabei habe ich ca. 20pA gemessen. Theoretisch sollte bei dieser Schaltung ja auch keine Spannung über der Diode liegen, weil der OP den Eingang auf GND Potential regeln sollte. Natürlich hat man dennoch die Offsets. Oftmals sind die Eingangsschutzdioden ja aber gegen die Versorgungsspannungen geschaltet. Ich habe daher auch einmal den Strom bei einer Sperrspannung von 12V gemessen und kam dabei auf 6,5nA. Das ist für einen empfindlichen Stromverstärker mit dieser Diode also keine gute Idee ;).

Wie zu Beginn schon erwähnt sollte dieser Aufbau ja aber zeigen in wie weit LTSpice Simulationen etwas über den Leckstrom von Standardbauelementen verraten. Darum folgend der Vergleich einer 1N4148 in LTSpice mit meinem Messaufbau.

leck_1n4148

Der Anfang stimmt sogar noch ganz gut überein, allerdings steigt der Strom in LTSpice dann über die Spannung nicht weiter an. In der Realität sieht dies allerdings anders aus.

Eine bessere Möglichkeit den Eingang zu schützen und dabei nur sehr geringe Leckströme zuzulassen ist es normale bipolar Transistoren als Dioden zu verwenden (ja ich weiß JFETs wären noch schöner, aber ich hatte keine da). Ich habe daher noch eine Messung mit einem BC547B gemacht und diese wieder mit LTSpice verglichen. Hier sieht man, dass die Simulation nicht wirklich zur Abschätzung von Leckströmen geeignet ist.

leck_bc547b

Mittlerweile habe ich noch hochohmigere Widerstände bekommen und auch noch einen besseren OP….

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