1、微弱电流信号检测记录(2012-02-14 11:19:12) 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。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
2、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）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
3、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IbRfb 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
4、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
5、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：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
6、，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
7、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
8、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。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
9、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
10、候需要先测试一下没有外加电流时的自身 Ib，然后再相减。3、常见的静电放大运放 IC从指标上看，Ib 最小的，当属 Intersil 早年的 ICH8500A，Ib 不大于 10fA！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
11、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，Ib 60fA，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
12、关应用。ADI 公司还有其它几款类似的，例如 AD515AL，Ib 75fA。OPA128L，比较经典的老运放了，Ib 75pA，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。另外，国半还有
13、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。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。补充，3430K 找到了一点资料：厂家：Linear形式：单运放Ib max：10fAVos max：10uV
14、Pins：10http:/ 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
15、面，目前可选的的静电放大 IC 也非常多了。基本足够。如果想 DIY MOS 管的，也建议先做个 IC 的。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
16、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
17、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 Keithley 261，国产的 WD-1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。以下是一个简单但有效的电压发生器，1.2V 的 LM385 用 500k 接到 8V 上，然后用 250k+1M+100k+11k 分压得到 1V、0.1V 和 0.01V，然后外接高阻就可以实现弱电流发生
18、，0.01V 接 1T 可以产生低达 10fA 的电流：2、微弱电流标准的产生方法 2，恒流源法其实就是一个恒流源的电路，只不过采样电阻比较大、基准电压比较低、其它元件也要求是低漏电的。恒流电流=基准电压/Rsense电流的误差，较少一部分由电压引起（U1 的偏差、Vos 的稳定性等），更主要的是 Ib 和 FET 的栅极漏电。这样，也就要求放大器的 Ib 非常低、Vos 也应该小到可以忽略的情况。这实际上是与弱电流测试仪的前级运放的要求是一样的。现在看，采用 LMP7721 还是不错的，Ib 最大 20fA、Vos 最大 0.15mV。同样，对采样电阻的要求也类似，高阻、低飘、长期稳定。假如
19、产生 1pA，用1.2V 做基准，那就需要 1.2T 的高阻了。当然，可以在 U1 上搞分压，得到 0.1V再供给 U2，那样 Rsense 也就需要 100G 了。当然，对于 FET 管，不仅要求其栅极漏电比较小，而其漏源关断漏电流也必须小于最小可能输出电流。如果 Rsene 是多个并用开关切换档位，那么对开关本身也有漏电要求。与模拟高阻的道理类似，用小电阻产生小电流，电流噪音将比较大。七、微弱电流计的测试商品的微弱电流计，表现如何？是否满足声称的指标？方便性、稳定性状况怎样？本节就手里现有的几个成品设备，展开测试。1、测试的条件环境要求，干燥、温度适中基本不变、无风、无强烈光照、无人走动、
20、无干扰源。测试线、屏蔽与保护， 测试线和仪器，必须是屏蔽的、接地良好。测试接线盒、屏蔽盒。 如果有高阻相关的测试，也要装在屏蔽盒里。标准电流源，采用商品的 WD-1，有些也用 DIY 的。2、测试 HP4329A为了能够直接对比，可以把测试电流定在 1pA。这个电流可以认为是微电流的一个标志。产生一个 1pA，然后进行测量，看综合输出的各种指标（短稳、噪音、温度系数、长期稳定性）利用国产 WD-1 弱电流发生器发生 1pA。WD-1 发生 10pA 以上时可以满度，开路电压为 10V。发生 1pA 时为 10%量程，开路电压 1V，也不错。尽管也可以发生低至 0.01pA 但只有 0.1%量程
21、了。利用 HP4329A 的 2pA 档进行测试，MX6.5 采集：这个结果是相当不错的，方差达到 1.1fA，100 个数平均后（需要 100 秒），小电流就可以分辨到 0.11fA！从图上也可以看出，100 个测量值的峰峰值，只有不到 5fA。而且，这个结果是电流发生器、电缆、HP4329A 采集、内部输出等几个环节的共同结果，如果电流发生的 10%的部分不太理想，那么后面的测量部分结果要更好。3、测试 Keithey 610C4、测试 Keithey 6175、测试德国弱电流板这是一个不知道什么仪器里拆出来的前级微电流组件板，两级放大，主运放是保证偏流10fA 的 ICH8500A，后一
22、级是 UA741，供电采用双电源15V；反馈电阻用了 30G，反馈电容 470pF，分别测试了 1pA、0.1pA 和零点，阿伦方差均为 0.3fA 以下，因此这个实验已经进入了 fA 测试领域了：可以看到，100 个点的峰峰值，小于 3fA。很不错的结果。不过，这电路应该是测试慢速微电流的，时间常数 30G470pF=15 秒，比较大，因此从短稳上也就占了便宜。我把 Cf 改为 22.5pF 后（时间常数 0.7 秒），短稳就不太好了。另外，ICH8500A 的 Vos 比较大，达到了 50mV，尽管有零点调节，但 1mV/K 以上的温漂，可以轻易的使得失调达到几毫伏，适合高阻信号源。因此，
23、估计原来的电路是测试 30pA 左右电流的，这样输出才能有 1V，其它影响才容易被忽略。另外，0.1pA 电流的测试，曲线逐渐下降，这个并非是 Rf 和 Cf 的时间常数引起的，而是所加的 0.1pA 电流源的问题。由于采用 1T 电阻+0.1V 电压，其中 1T电阻在低压下有介质吸收-释放效应，导致标准电流在缓慢变化，并非测试器的问题。6、测试光电板不知厂家、不知来源的一个弱电流测试板，8 路，每一路运放采用 OPA128KM，反馈电阻 10G，反馈电容 300pF（时间常数 0.3 秒）。）。7、HP 自己测试其 4561+/- 2fA variation typical, using s
24、hort integration time.即：短积分周期下，典型变差2fA。8、Agilent DCP-HTR长温下噪音+漏电大约2fA。八、微弱电流测试仪器 DIY 汇总与分析个人 DIY 微电流测试器，一般都是自己设计、选料、组装，自己做 1pA 电流源并测试。但由于这领域比较偏，再加上可能的不公开原因，能找到的资料很少，所以对比只能在有限的、不完全的条件下进行。为了对比方面，还加入了成品微电流板的测试结果。1、上海彭建学上海的彭建学做了个 1pA 的发生+1pA 测试，误差、短稳、分辨是 50fA 的：http:/ AD8628，Ib 很大（30pA 典型值，100pA 最大），因此其
25、温漂、变动就大，该运放的电流噪音典型值达到 5pA/sqrt(Hz)，应该是结果不理想的主要原因。尽管采取抵消技术，但噪音么，具有无规则性，不好完全抵消。其测试电流的发生是采用 0.5mV 的分压基准，再串联一个 500M 电阻取得的：由于 AD8628 的 Vos 很小（5uV 最大），因此这部分的影响不到 1%，如果热电动势和干扰可以很好的控制的话。但 500M 的内阻比较低了，造成理论电流噪音极限为 29fApp，这是不可突破的。从数据上可以看出，采集 3 个数，峰峰值就有 70fA，从曲线上也可以看出，50 个点的峰峰值，有 100fA。2、西安王卫勋西安理工大学有位王卫勋，其 200
26、7 年的硕士论文叫“微电流检测方法的研究”，里面包括了一个 1pA 的制作和测试。运放采用了 Ib=150fA 的 OPA128JM，反馈电阻限于条件只有 1G，反馈电容选择的 470pF（时间常数 0.5 秒），测试微电流的短期精度可以达到 5fA，还是不错的：http:/ 1G 电阻外找不到更大阻值的，也没有采用多个 1G 串联提高性能的方法。仔细看一下这放大器的测试数据，系人肉采集、间隔读数、间隔记录的，如果换算成每秒 1 次的采样，大概峰峰值，有 20fA，这实际上已经达到 1G 内阻噪音电流的理论极限。造成测试噪音，应该有如下三个原因：a、1pA 电流源的电压太低，造成运放零点漂移和
27、噪音的影响变大A 点的电压为基准，只有 1mV，这样噪音、热电动势、Vos 等就会产生很大的影响，因为运放的 Vos 本身（0,5mV）已经接近这个 1mV 了，造成零点漂移和中期稳定性变差。b、反馈电阻限于条件只选了 1G，因此第一级运放的输出也同样仅为 1mV，不仅热电等影响大，1mV 给后续测试也带来困难。1G 电阻的理论极限电流为20fApp，再好不可能了。c、运放选择了 150fA 的 OPA128M。这是 OPA128 中最差的一个，与最好的运放比，相差了 7.5 倍。3、德国成品板具体测试见上节，列在这里只起一个对比作用。1pA 电流，采样周期 1 秒，阿伦方差 0.3fA，10
28、0 个点的峰峰值小于 3fA，为王卫勋的 1/5 以下，为彭建学的 1/25 以下。4、自己 DIY这里先给出测试结果，具体 DIY 见下一节。DIY 1pA 测试器，每秒 1 次采样，100 个连续测试标准差达到 0.25fA，峰峰值1.1fA。我申请了目前最好的静电运放 LMC7721，其电流噪音是当前最好的，电压噪音也是同类的 1/3（6.5nV 对比其他 22nV），Ib 和 Vos 都比较小，待采取更大更好的反馈电阻后（例如 1T），渴望得到更好的结果。5、对比表1E+00 也就是 1 秒周期，代表短稳，类似噪音，表明仪器快速精确测试的能力；1E+04 也就是 1 万秒周期，代表仪器
29、长时间持续工作的稳定性；1E+08 也就是 1亿秒周期，代表仪器的长期稳定性。这些指标都是越小越好，只有短稳至少进入 1fA 以下，才能测试 1fA 以下的电流，其余都是浮云。HP4329A 本来不是 DIY 的，但放在一起做个对比，可见处于中游水平。这款静电表最高电流量程 20pA，只有在最高电阻档才隐性具备 2pA 的量程，也由于是指针表，做到这个程度也不错了。未来的 DIY，已经有了初步眉目，但个别指标也许代表了自己能做到的极限，采取新型 IC、高稳高阻，不仅短期稳定度进入 aA 水平，长期稳定度也要进入1%。6、误差分析从结构上看，这些都是简单、经典的运放电路。误差分析中不包含理论噪音
30、极限。电路为经典运放电路，电流源选择最简单的电压+电阻方法：主要误差有以下四部分：1、Ib 误差。无论是老化的、温漂的、噪音的，只要是变动的部分，直接会反映在最后误差电流中。例如某运放 Ib 为 4fA，Ib 误差 2fA。2、Vos 误差会引起输出直接变化同样大小。例如某放大器满量程0.3V、1pA，Vos 误差 0.5mV，那么相对误差就是 0.5mV/0.3V，绝对误差再乘上1pA 量程就得到 1.7fA。3、Vos 误差会引起等价 Vref 变化。例如 Vref 为 1V、Rref=1T，那么相对误差就是 0.5mV/1V，绝对差再乘上 1pA 量程就得到 0.5fA。4、Rref 引
31、起的相对误差。假如 Rref 为 0.5%，那么满量程下会引起1pA0.5%=5fA 的误差，50%量程 2.5fA、10%量程 0.5fA，无输入时无误差。以上例子，合计误差 6.7fA（半量程）。参数的具体选择，下面给出三个例子：A、已有器件。例如已有 AD549L、100G 电阻两个，要做 1pA 的测试，那么根据上述公式，假设 Vos=0.5mV、Ib=5fA，电阻 2%，得到误差为 35fA。B、已知指标为 10fA，那么就要选择更好的器件了，例如 LMC6001A、较大较好的电阻（330G、0.5%），计算结果见表中第 2 栏。C、用目前较好的器件，可以得到什么样的结果？元件具体选择和计算过程就不
