Иногда в радиолюбительской практике требуется измерить напряжение с очень малым током — менее 1 мкА. Подобные измерения требуются также в электрохимии, когда необходимо измерить разность потенциалов на каких-либо электродах. Прямое подключение цифрового мультиметра, имеющегося у многих радиолюбителей, в этом случае недопустимо, так как входное сопротивление большинства мультиметров не превышает 1...10 МОм. В ряде случаев оно заметно влияет на точность измерения.
В данном случае поможет простой буферный усилитель с высокоомным делителем на входе. Естественно, что для такого делителя потребуется и усилитель с очень низким входным током, например, ОУ серии КР1409УД1 с МОП транзисторами на входе (входной ток КР1409УД1Б не более 10 пА). Малый входной ток и у импортных ОУ серии СА3140, также выполненных по технологии BiFET.
Применение ОУ СА3140Е позволило собрать высокоточный усилитель (см. схему на рисунке), достаточно стабильный при изменении температуры, с входным делителем сопротивлением 1 ГОм. Он позволяет измерять напряжения от нескольких милливольт до 10 В с неизменным входным сопротивлением. Для измерения более высокого напряжения можно еще более увеличить сопротивление резистора R1. Использование других серий ОУ может повлечь за собой проблемы, в частности с установкой нуля на выходе.
Буферный каскад собран по схеме неинвертирующего усилителя с коэффициентом передачи около 20, практически равным коэффициенту деления входного делителя напряжения. Настройка устройства заключается в установке "нуля" на выходе ОУ при замкнутых входных щупах. Применение микросхемы СА3140Е позволило сбалансировать выход усилителя с точностью до 1 мВ. Подстроечным резистором R6 можно в незначительной степени изменять коэффициент усиления и установить на выходе ОУ точно такое же напряжение, как и на входе резистивного делителя.
К выходу усилителя можно подключить практически любой вольтметр постоянного тока. Можно также подключить стрелочную магнитоэлектрическую головку со стрелкой, расположенной посредине шкалы, подобрав последовательный резистор. Через буферный усилитель можно также наблюдать на осциллографе сигнал низкой частоты с амплитудой до 10 В (для этого требуется отключить сглаживающий конденсатор С1).
Если коэффициент передачи каскада после делителя установить равным единице (ОУ в режиме повторителя), то на такой высокоомный буферный каскад допустимо подавать напряжение до 250 В; при этом напряжение на входе микросхемы не превысит максимально допустимого значения.
Сопротивление резистора R1 автор набрал последовательным соединением трех высокоомных резисторов сопротивлением 330 МОм (например, КИМ, СЗ-14-0,125 и т.п.). Эти высокоомные резисторы желательно монтировать на опорных контактах с фторопластовой изоляцией, а для минимизации утечки на входе ОУ вывод 3 DA1 на печатной плате (из стеклотекстолита) целесообразно окружить защитным кольцом из фольги, соединенным с выводом 2 микросхемы.
В делителе цепи ООС ОУ можно применить обычные резисторы — С2-23 или аналогичные. Подстроечный резистор R5 — СП5-2 (многооборотный), R6 — СП5-16. Конденсаторы можно использовать любые, желательно малогабаритные.
Буферный усилитель и делитель чувствительны к наводкам, поэтому их необходимо поместить в металлический экран, который соединяют с общим проводом. Конструкция и материалы щупа делителя должны обеспечивать высокое сопротивление изоляции для минимизации тока утечки в этой цепи.
Похожие материалы