挑战毫微安电流测量技术

的器件的工作电流远远高于该公司规 振确定所使用低值电容器的大小。这
定的亚微安等级。事件的最终原因 种测量的进一步的困难是必须在
是：虽然该 ＰＣＢ（印制电路板）装配 ３２ｋＨｚ 下 准 确 地 实 时 测 量 ，这就排除
厂正确清洗了电路板，但装配人员用 了使用积分电容器的可能。这种信号
手拿 ＰＣＢ 板时，在关键节点上留下 是一种复杂的交流信号，系统设计者
１２％ 低频增益误差。
Ｗｉｌｌｉａｍｓ通过Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＣＴ－１的七
个采样组，研究了这种增益误差校正
对 一 个 正 弦 频 率（ ３２．７６８ｋＨｚ）的 有 效
性 。他 报 告 说 ，对 一 个 １μ Ａ、３２．７６８ｋＨｚ
的正弦波输入电流，该器件的输出全
部 都 在 １２％ 的 ０．５％ 以 内 。尽 管 这 些
都 会 带 来 误 差 ， 但 在 这 种 低 水 平 上 ， 就 可 以 测 量 ，一 个 ｒｍｓ－ｄｃ 转 换 器 就 可
即使静电耦合也会带来问题。当要测 提供 ｒｍｓ 值。图中虚线表示石英晶体
量的电流小到毫微微安范围时，电路 的测试电路，它示范了一个典型的测
ｗｗｗ．ＥＤＮＣｈｉｎａ．ｃｏｍ
２００７．０７ ＥＤＮ 电子设计技术 ４ ７ CHINA
下一个问题是选择一个积分电容 器 。开 始 时 ，Ｇｒｏｈｅ 感 觉 最 佳 的 电 容 器选择可能是空气介质电容器，因此 他做了两块尺寸为 ４ 英寸× ５ 英寸的 大平板，用作积分电容器。这个电容
器的尺寸正好是安装 ＤＵＴ 的第二个 覆铜盒的大小。采用大电容器被证明 是一个坏主意。大面积区域为宇宙射 线提供了一个大目标，产生出能影响 测 量 的 离 子 电 荷（ 图 ８ ）。Ｇｒｏｈｅ 接 下 来尽量减小了电容器的尺寸，同时仍 然使用一种良好的电介质。他偶然发 现 ＲＧ１８８ 同 轴 电 缆 使 用 了 Ｔｅｆｌｏｎ 绝 缘 层 。２ 英 寸 长 的 这 种 电 缆 可 为 积 分 电 容 器 提 供 １０ ｐＦ 的 电 容（ 图 ９ ）。另 外它还有一个好处，外层的编织带可 以 作 为 屏 蔽 。于 是 ，Ｇｒｏｈｅ 将 其 连 接 到放大器的低阻抗输出端。换用这种 电 容 器 后 ，宇 宙 射 线 的 密 度 只 有 每 ３０ 秒左右一次。Ｇｒｏｈｅ 做 １５ 秒的积分测
致、精确的测量，以便建立数据表规 ｎｏｌｏｇｙ 的科学家，同时也是 ＥＤＮ 的
格。
长期撰稿人Ｊｉｍ Ｗｉｌｌｉａｍｓ演示了他为
但 很 少 有 工 程 师 明 白 ，一 只 器 件 一 个 客 户 设 计 的 一 款 电 路 ，该 客 户 需
的数据表是一份契约文件。它规定了 要测量一个 ３２ｋＨｚ 手表晶体的均方根
阻抗下，ＬＴ１０２８ 可能是所有制造商 中提供的噪声最低的一种放大器。
毫微微安的偏置电流
Ｐａｕｌ Ｇｒｏｈｅ 是 美 国 国 家 半 导 体 公 司的一位应用工程师，他提供了另一 个测量微小电流的出色案例。数年 前，美国国家半导体公司决定销售 ＬＭＣ６００１，这 是 一 款 保 证 ２５ ｆＡ 偏 置 电流的放大器，这意味着该公司需要 测量每只器件的偏置电流来验证规 格。测试部门无法在计划阶段提供测 试设备，所有电路必须装到一个标准 的 探 测 卡 上 。Ｇｒｏｈｅ 和 同 事 Ｂｏｂ Ｐｅａｓｅ 建造了一个用于概念验证的装置，以 证实解析低达 １ｆＡ 小型测试电路的可 行 性（ 图 ４）。很 多 书 籍 与 讨 论 中 都 采 用一只积分电容器来测量小电流（参 考 文 献 ３）。它 的 原 理 是 ，一 个 小 电 流 可以为一只小电容器充电，你可以读 出电压值来推算电流。在某些情况 下，电流是来自传感器的外部电流。 此时，电流正离开放大器的输入脚。 图 ５ 是 一 个 简 单 的 原 理 电 路 ，其 中 的 放大器正在测量自己的偏置电流。
精度，荧光灯的光线会进入一支检测 二极管的透明端，造成干扰（参考文
都有助于测量。
至电线的制造商都必须测量极小电 流 ，以 确 定 器 件 的 特 性 。泄 漏 电 流 、绝
献 １ ）。 如果要确定晶体振荡器的性能，
缘 电 阻 以 及 其 它 参 数 的 测 量 都 需 要 一 则 需 要 精 确 测 量 小 电 流 。Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈ－
图 ３，上方迹线表示 Ｃ１ 的 ３２．７６８ｋＨｚ 输出。Ａ４ 的输出（中间迹线）表 示 晶 体 的 电 流 。下 方 迹 线 表 示 ｒｍｓ 转 换 器 输 入 。中 间 迹 线 未 过 滤 的 尖 峰 来 自 与 晶 体 并 联 的 寄 生 路 径（ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 供 稿 ）。
封 面 特 写 ＣＯＶＥＲ ＳＴＯＲＹ
挑战毫微安电流
测量技术
作者：Ｐａｕｌ Ｒａｋｏ，ＥＤＮ 技术编辑
４ ６ ＥＤＮ 电子设计技术 ２００７．０７
４６
CHINA
２００７．０７
ｗｗｗ．ＥＤＮＣｈｉｎａ．ｃｏｍ
对小电流的测量 非常微妙。
几
巧妙的模拟设计技术、
千种应用都需要测试小电 流的电路，最常见的是测 量二极管受光照射所产生 的光电电流。一些科学应 用（如 ＣＴ 扫描仪、气相
封 面 特 写 ＣＯＶＥＲ ＳＴＯＲＹ
图 ２，Ａ１ ￣ Ａ４ 为电流探头提供高于 ２０ 万的增益，完成亚微安级电流的测量。ＬＴＣ１５６３－２ 带通滤波器用于平滑残余噪声，在 ３２．７６８ｋＨｚ 提供 单位增益。ＬＴＣ１９６８ 提供 ｒｍｓ 校准输出。
能用器件本身测量自己的偏置电流。 如果他尝试将器件自身用作积分器， 则无法校正一个插座的效应，以及与 测试装置有关的其它泄漏。要做到这 一点，需要一个单独的低偏置电流器 件 作 积 分 器 （ 图 ６ ）。 用 一 只 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ 的 ＬＭＣ６６０ 放 大 器 即 可 保 证 偏 置 电 流 小 于 ２ ｆＡ。Ｇｒｏｈｅ 用 这 种 技 术 可 以 简 单 地 去 除 任 何 Ｄ Ｕ Ｔ （ 待 测 器 件 ）， 而 积分器就可以测量自己的偏置电流， 以及测试插座和安装积分器的 Ｐ Ｃ Ｂ 的泄漏电流。
和 ｒｍｓ－ｄｃ 转 换 器 输 入 （ 下 迹 线 ）。 他
说 ：“ 中 间 迹 线 可 看 到 尖 峰 ，这 是 来 自
与 晶 体 并 联 寄 生 路 径 的 未 过 滤 成 份 。”
从 Ｗｉｌｌｉａｍｓ的电路中可以看到，
即 使 采 用 积 分 技 术 ，要 测 量 毫 微 安 电
流 仍 很 困 难 。这 个 问 题 非 常 困 难 ，因
容易遭受更多干扰的影响。湿度会改 变电容的数值，造成较大的表面泄 漏；振动会在电路中产生压电效应； 即使是室内风扇引起的微小温度改变 也会在 ＰＣＢ 上形成温度梯度，造成
正确的器件
色谱仪、光电倍增管与粒子和波束监 虚假读数；室内光线也会降低测量的
和设备
控等）都需要小电流的测量。除了这 些直接应用以外，半导体、传感器甚
处理路径组成一个频带极窄的放大
器，该放大器调谐到晶体的频率。图
３ 画 出 典 型 的 电 路 波 形 。据 Ｗｉｌｌｉａｍｓ
说，该晶体在 Ｃ 的输出端驱动（上迹 １
线 ）， 产 生 一 个 ５ ３ ０ ｎ Ａ 的 ｒ ｍ ｓ 晶 体 电
流 ，分 别 显 示 为 Ａ 的 输 出（ 中 间 迹 线 ） ４
了指纹。由于可以测量这些微小的电 必须将其转换为 ｒｍｓ（均方根）值才
流，半导体公司就可以证明自己的器 能作评估。
件工作正常，泄漏电流来自于脏污的
Ｗｉｌｌｉａｍｓ 称：“ 石 英 晶 体 的 ｒｍｓ工
Baidu Nhomakorabea
ＰＣＢ。
作电流对长期稳定性、温度系数和可
测 量 小 电 流 的 困 难 来 自 于 对 测 量 靠 性 都 很 重 要 。”他 说 ，小 型 化 需 求 会
结 果 看 似 支 持 这 种 测 量 方 案 ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ
仍认为值得说明一件事，即结果来自
Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ 的 测 量 。他 说：“ Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ
并 未 保 证 低 于 所 规 定 －３ｄＢ、２５ｋＨｚ 低
频滚降时的性能。Ａ３ 和 Ａ４ 提供的增 益为 ２００，因此放大器总增益为 ２２４，
为 测 量 者 必 须 实 时 完 成 测 量 。还 有 更
多复杂因素，如这种交流测量需要
３２ ｋＨｚ 的 带 宽 来 捕 捉 示 波 器 电 流 波 形
中 的 大 量 能 量 。Ｗｉｌｌｉａｍｓ 用 一 只 传 感
器 来 解 决 这 些 问 题 。Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＣＴ－１
传 感 器（ 参 考 文 献 ２ ）价 格 高 达 ５００
０００。这 个 数 字 在 Ａ 产 生 一 个 针 对 ＣＴ－ ４
１ 输 出 的 １ Ｖ ／μ Ａ 比 例 因 子 。 Ａ ４ 的
ＬＴＣ１５６３－２ ３２．７ ｋＨｚ 带 通 滤 波 输 出 通
过一个以 ＬＴＣ１９６８ 为基础的 ｒｍｓ－ｄｃ
转 换 器 送 给 Ａ５，该 ｒｍｓ－ｄｃ 转 换 器 提 供 电 路 的 输 出 。”Ｗｉｌｌｉａｍｓ 解 释 说 ，信 号
要 点
小电流的测量面临物理限制与噪 声限制。
早期的机械电表可分辨毫微微安 级电流。
ＪＦＥＴ 和 ＣＭＯＳ 放大器适用于测 量。
要测量毫微微安级电流，需要将 电流积分到一只电容器中。
积分器件可以测量毫微微安级电 流 ，并 提 供 ２０ 位 输 出 。
美元，但如果没有好的传感器，Ｗｉｌ－ ｌｉａｍｓ 就 不 能 从 各 种 噪 声 中 恢 复 出 信 号 。除 了 有 好 的 灵 敏 度 以 外 ，ＣＴ－１ 有 ５０ Ω 的输出阻抗，与高阻抗输出相 比可获得较低的噪声信号路径。本例 证明的另一个重要原则是，限制信号 路 径 的 带 宽 十 分 重 要 。Ｗｉｌｌｉａｍｓ 做 了 一个窄带放大器链，去除了不感兴趣 频率部分带来的所有噪声。最后， Ｗｉｌｌｉａｍｓ 在 电 路 中 采 用 了 良 好 的 低 噪 声设计原则。将重要节点架空连接， 尽 量 减 少 泄 漏 路 径 ，而 在 ５ ０ Ω 的 源
测量小电流的现实情况远远超过 图 中 所 表 述 的 内 容 。首 先 ，Ｇｒｏｈｅ 不
图 １， 此 实 验 电 路 板 用 于 测 量 手 表 晶 体 的 ｒｍｓ 电 流 （ Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 供 稿 ）。
４ ８ ＥＤＮ 电子设计技术 ２００７．０７ CHINA
ｗｗｗ．ＥＤＮＣｈｉｎａ．ｃｏｍ
器 件 的 性 能 ， 对 器 件 运 行 的 任 何 异 议 （ ｒｍｓ）电 流（ 图 １）。这 种 测 量 的 一 个
都要归结到数据表的规格上。最近， 难点在于，即使一个 ＦＥＴ 探头的 １ｐＦ
一家大型模拟 ＩＣ 公司的客户威胁要 电 容 也 会 影 响 到 晶 体 的 振 荡 。确切地
对制造商采取法律行动，称他所购买 说，电流测量的目标之一是为每个晶
封 面 特 写 ＣＯＶＥＲ ＳＴＯＲＹ
量 情 况 。Ｗｉｌｌｉａｍｓ使 用 Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＣＴ－
１ 电流探头来监控晶体电流，它只产
生极小的寄生负载。同轴电缆将探头
的 ５０ Ω馈送至 Ａ ，Ａ 和 Ａ 得到 １１２０
１
１
２
的 闭 环 增 益 ，高 于 标 称 １０００ 的 额 外 增
益 ，用 于 校 正 在 ３２．７６８ ｋＨｚ下 ＣＴ－１ 的
的各种干扰。本文将讨论两个实验板 带来寄生问题，尤其是电容，使 ｒｍｓ
电路，这些电路必须处理表面泄漏、 晶体电流的精确检测更加复杂，特别
放大器偏置电流引起的误差，甚至宇 是对微功率类型的晶体。他解释说，
宙射线等问题。与大多数电路一样， 采用图 ２ 中的高增益低噪声放大器，
ＥＭＩ（ 电 磁 辐 射 ）或 ＲＦＩ（ 射 频 干 扰 ） 结 合 一 只 商 品 化 的 闭 合 磁 芯 电 流 探 头
图 ７ 表明，Ｇｒｏｈｅ 并未将 ＤＵＴ 插 入插座内，所有管脚均未与 Ｐ Ｃ Ｂ 接 触。为尽量减小泄漏，Ｇｒｏｈｅ 只将两
只电源脚作为长而独立的插座，而且 并未安装在 ＰＣＢ 上。同样，他将待测 管脚连接到一个插座和一个 ２ 英寸悬 置线上，并将管脚 ／ 插座组合连接到 积分放大器的输入端。为防止 ＤＵＴ 运 行在开环状态，Ｇｒｏｈｅ 将两个插座焊 在一起，将空中悬浮的输出脚桥接起 来。空气的流动会带来充电的离子， 造成虚假读数，因此 Ｇｒｏｈｅ 将整个 ＤＵＴ 封装在一个屏蔽的覆铜盒内。