超微电流检测

微弱电流信号检测记录(2012-02-1411:19:12)标签：杂谈目录零、序一、微弱电流测试器的指标二、微弱电流测试所需要的条件三、微弱电流计四、高阻电阻五、微弱电流计放大器的基本电路六、微弱电流标准源七、微弱电流计的测试八、微弱电流测试仪器DIY汇总九、微弱电流测试器DIY十、改进与应用二、微弱电流计放大器的基本电路1、微弱电流放大的基本电路弱电流的基本电路是反向放大器的形式，即I-V转换电路。先看一个实例，来自ICH8500的数据表。图片:Amp0.gif放大器接成典型的反向放大器，但没有输入电阻，其实是一个电流-电压变换器，并有几点不同：a、有保护（Guard，作用见下）b、反馈电阻Rfb非常大，为10的12次方欧姆，即1Tc、有个反馈电容Cfb，用来与输入等效电容分压，提高响应时间。在一个实际采用ICH8500的电路板上，该电容采用了470pF的聚苯乙烯（反馈电阻用了30G）图片:DSCN5966s.jpg反馈电阻Rf（或叫Rfb）的选择。这是一个关键元件，一方面取决于所要求的灵敏度和噪音，另一方面与其他元件和电阻的来源情况有关。上述电路的Rfb非常大达到1T，因此1pA的输入电流就会引起1V的输出，即灵敏度是1V/pA，这样用2V的电压表，就可以实现满度2pA的微电流计，甚至可以用200mV的电压表事项满度200fA的超微电流计。Rfb也与电流噪音密切相关，越大则理论噪音越小，很多静电计选100G，这样理论噪音极限大概是0.25fArms，而K642选择了1000G，噪音就更小了。当然，Rfb不能取得太大，因为运放的偏置电流Ib是完全流过这个电阻的，产生压降，也产生噪音、温度系数等弊病，所以Rfb要与运放匹配，最好Ib×Rfb小于满度输出的1%，至少10%。否则，当没有输入的时候，Ib就要全部流过Rfb，1pA就产生了1V的假输出，这是不允许的。另一方面，大的电阻不仅价格贵、买不到，而且可能存在性能上的问题。从目前情况看，Rfb最大选择100G比较合适，除非你想PK吉时利，可以选1T或更大。静电运放的选择，上面提到，最重要的参数就是Ib。要想做微电流测试，Ib必须选择小的。实际上。Ib总是存在的，也可以进行补偿、调零、抵消。当然，不如Ib小的好，因为Ib本身是很不稳定的，会带来电流噪音和，尤其是其温度系数很大，会在很大程度上干扰测试结果。另一方面，运放的正负输入之间的失调电压Vos，多少也会影响准确测试。Vos，是直接叠加到输出信号上去的。假设Vos=10mV，那么本来是1V输出，叠加后就有1.01V了，形成1%的误差。假设输入电流小，为0.1pA，那么计算输出只有0.1V，实际输出0.11V，影响就更大了，达到10%。所以，Vos还是小了好。后面将会看到，由于在产生微小电流的时候，需要小的电压，Vos所占的比例就更突出了，这样也要求运放的Vos小。Vos如果不够小，可以通过补偿电路来大部分抵消。但是，Vos是有温度系数的，温度一变最后的输出也跟找变了，这也使得Vos的温度系数成文重要指标之一。反馈电容Cf的选择。Cf的作用有两个，一个是抵消输入电容、提高阶越的响应速度：图片:Cf.gif另一个作用是与Rf一起决定了电路自由时间常数。有关Cf的选择，LMC662的手册里有详尽的描述。德国微电流板，在Rf=30G的情况下选择了Cf=470pF，非常大，时间常数达到了15秒。从实际测试情况看，减少这个电容，尽管提高了相应速度，但会增加输出噪音。例如在Cf=470pF的场合，输出1秒间隔的阿伦方差只有0.19fA，但增大到22pF后（此时时间常数为0.67秒），阿伦方差上升到了2.5fA。因此，这个德国的电路是牺牲了响应速度换取的稳定性，看来是用来测试缓慢变化的微电流信号。电路上看，电流合成点，就是一个虚地。只要运放在工作状态，这个地方就能保持地电位。当有输入电流的时候，这个电流不会流入运放的负端（因为Ib非常小而且基本不变），所以全部的电流都流进Rfb里了，造成输出端下降，下降的电压就是输入电流与该电阻的乘积。所以这一点也就是电流合成点，多个电流可以在这点相加的，但这一点的电压不随输入电流而变，总是保持在地点位，因此才称为虚地。也可以看出，这个虚地也特别脆弱，任何电路板漏电流都会对结果产生直接影响。为了减少或免除这些影响，可采取如下措施：a、采用悬空办法，让绝缘电阻大得多的空气替代电路板。b、采用保护布线的办法，让漏电路径的电位差计量小。c、采用特殊运放，其输入脚间距大、有屏蔽脚，以便减少内部漏电。也许有人会问，为什么不采用T型反馈电路，这样可以大大降低Rf反馈电阻的阻值？T型反馈是一种折中方法，只对理想放大器有用。如果实际动手做过，或者进行过理论分析，就能看出，这电路牺牲了太多的精度，增加了太多的噪音。此电路在采用一个分压电阻对在降低反馈电阻的阻值后，Vos的影响也成比例的被扩大了，噪音也被放大，同时R2选择了小电阻其电流噪音也增大。而计量弱电流放大一般都同时需要高精度，因此不适合此处的极端场合。图片:T.gif2、测试微电流的其它方法测试微电流，还可以用其它很多方法，比如：电流-频率变换法。由于常见的频率范围特别宽，也容易产生，因此这种方法动态范围很大，并且可以远距离传输而无走样。这种方法做好了精度也非常高。有一款光探测ICTSL230，就可以直接把光电流转换成频率，在一个不换档的量程里轻易取得6个数量级的动态范围，我实际测试达到7个数量级，最小可以响应0.1pA的电流。静电累计法，或者叫电容充电法。选用漏电超低、介质特性良好的电容小电容例如10pF，通过积分电路让被测试电流向电容充电，就可以通过不断采集输出电压，得到电压的上升率，换算出电流来：电流=电容×电压上升率这个电路的特点，一个是可以较高精度的测试到非常小的电流，只不过越小的电流需要越长的时间；另一个特点是干扰小，因为是积分效应，最后结果是累积的、不是偶然的。当然，如果电容充电达到一定电压后，必须放电才能工作。这种放电方法一般不能采用电子开关，这样就会有漏电影响。一般是采用机械的方法，用一段金属+F4尖端的复合材料给电容短路，让这电容放电就可以重新测试。这种电路的弱点是复杂些，测试时间较长，需要特殊电容。另外，运放的漏电流是与测试电流叠加的，测试的时候需要先测试一下没有外加电流时的自身Ib，然后再相减。图片:push-rod2.gif3、常见的静电放大运放IC图片:OpAmp.gif从指标上看，Ib最小的，当属Intersil早年的ICH8500A，Ib不大于10fA！图片:5-ICH8500A.jpg但是，这个运放比较粗糙，Vos达到50mV，其温度系数大约1mV/C也非常大，因此根本谈不上精密，这样也对输入要求就比较高，最好是恒流的或电压较高的。也就是说，这款IC放大弱电流非常有效，但放大微电压不行，要求被放大对象有很高的内阻，测试电压也要高，例如绝缘材料测试。其次是LMP7721，这是一款近期的产品。指标Ib不大于20fA，典型值达到3fA，相当不错，尤其是其Vos0.18mV，在静电领域可以算成精密运放了。电流噪音原数据表是10fA，这怎么可能？1Hz下比典型Ib都大了，应该是笔误，因此我自作主张改成了0.10fA.。该放大器与众不同的地方，包括了独特的引脚输出方法和保护。再就是LMC6001A，这是大约1995年推推出的。指标Ib不大于25fA，也是相当不错的，Vos0.35mV，也比较小了，其温度系数2.5uV/C也并不很大，其电压噪音和电流噪音都非常小，这样就能测试更小的微弱信号，并有较好的重复。AD549L，是个老运放，Ib60fA，稍有偏大，但Vos0.5mV也算不错，其温度系数5uV/C，中等。这款常被用来做简单的静电计或相关应用。ADI公司还有其它几款类似的，例如AD515AL，Ib75fA。OPA128L，比较经典的老运放了，Ib75pA，也稍偏大了，其它特性与AD549L很类似（尽管BB自吹比AD549L强）。另外，BB的东西还有个弱点，就是贵一些。AD515，最好的L后缀，也是Ib75fA，Vos不算大，1mV。LMC6042A，尽管Ib保证最小值不算小（4pA），但典型值超低，达到惊人的2fA。另外，尽管Vos偏大但其温度系数1.3uV/C并不大。这个IC价格低、耗电少（只有20uA），很适合做成电池供电的静电计。通过挑选，可以找到性能不错的。图片:DSCN9174s.jpg图片:DSCN9175s.jpg另外，国半还有几款典型Ib为2fA的运放，比如LMC6041/4、LPC661/2、LMC660/1/2。还有几款典型Ib为10fA的，例如LMC6061/2/4、LMC6081/2/4，都可以用作相同目的。图片:P1090062s.jpg最后，在一篇文献（《最新集成电路应用300例》，pp107），介绍两款Ib不超过0.01pA的运放，一个是3430K，另一个是4M-7592，但根本找不到资料，也没见过实物，因此就排除在外。怀疑3430K的前缀是CA，也怀疑4M是LM的笔误，但都无结果。图片:DSCN9234s.jpg补充，3430K找到了一点资料：厂家：Linear形式：单运放Ibmax：10fAVosmax：10uVPins：10=3430K4、MOS管与静电运算放大器也许注意到了，商品的静电计，几乎都采用了MOS管做前级，而DIY的基本都采用静电运放。MOS管由于功能单一，可选范围大，有些输入偏流非常小，可以低达1fA以下，另外噪音水平和比较好，因此有可能做出高性能的放大器来。当然，用MOS管的话自己麻烦多一些，例如要增加二极管保护部分（这也许是好事，因为可以自由选管），另外MOS管的失调电压比较高，即便是对管。单级MOS管放大倍数有限，需要后续继续放大，电路比较复杂。自己做静电放大器，还是简单一些为好。静电领域不定的因素多，如果电路搞复杂了，出了点问题都不好确认到底是哪里来的。另一方面，目前可选的的静电放大IC也非常多了。基本足够。如果想DIYMOS管的，也建议先做个IC的。图片:push-rod.gif六、微弱电流标准源1、为什么要产生标准微弱电流？很简单，给我们的弱电流测试仪测试用的。同时，也应该具有校准输出功用、互相对比作用。所以，弱电流不仅要能产生出来，而且还要很精确的产生出来。2、微弱电流标准的产生方法1，电压+高阻法即把一个高阻R接到已知电压V上，电流满足I=V/R。这是一种最简单的弱电流产生办法。电压一般可以做的比较精确，因此关键在于高阻的准确和稳定。例如要产生1pA的电流，可以用如下电压-电阻组合：1V、1T0.1V、100G10mV、10G除了简单外，产生的电流很容易通过调节电压来调节，对于高阻不标准的场合（例如100G实际上是110G），可以通过改变电压来适应。当然，这样的方法并非恒流，只适合负载是接近与0的场合（例如很多电流测试仪器）。电压越高的，对负载的零偏变化就越不敏感。例如1V+1T，目标负载上如果有10mV，那总电压就是1V-10mV=0.99V了，因此存在1%的误差，但可以通过把电压调节到1.01V来补偿。类似，此时若用0.1V+100G，误差就增大到10%，需要0.101V。如果用10mV+10G的方法，就需要20mV的电压了。在负载是变化的场合下就不好办了。当然，如果一味追求近恒流特性，要求电压比较高，因此电阻也要相应增大。另外，在对电流噪音有要求时，就要选大一些的高阻。例如1pA尽量选100mV+100G，而不是10mV+10G。很多商品的标准弱电流源，就是以这种原理制作的，例如Keithley261，国产的WD-1图片:$198-1.jpg图片:C2s.jpg图片:C4b.jpg再高级的微电流标准，例如Keithley校准其6517A的，是用5156，其实就是一组独立的高阻，利用外加的电压源产生电流，也是这种方法。图片:01.jp