超微电流检测

微弱电流信号检测记录

(2012-02-14 11:19:12)

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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1T

c、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.gif

2、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IC TSL230，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。