超微电流检测.doc
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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。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
2、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
3、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
4、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
5、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(
6、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
7、,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.
8、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
9、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Inter
10、sil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
11、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AD5
12、49L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LMC
13、6061/2/4、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Ib max:10fAVos max:10uVPins:104、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
14、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DIY MOS管的,也建议先做个IC的。图片:push-rod.gif六、微弱电流标准源1
15、、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
16、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
17、原理制作的,例如Keithley 261,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.jpg图片:02.jpg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,0.01V接1T可以产生低达10fA的电流:图片:P1070984s.jpg2、微弱电流标准的产生方法2,恒流源法其实就
18、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1
19、00G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。图片:电流源.gif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、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,
20、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%量程了。利用HP4329A的2pA档进行测试,MX6.5采集:图片:P1070980s2.jpg图片:HP4329A-1pA.gif这个结果是相当不错的,方差达到1.1fA,100个数平均
21、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,后一级是UA741,供电采用双电源15V;反馈电阻用了30G,反馈电容470pF,图片:DSCN5966s2.jpg分别测试了1pA、0.1pA和零点,阿
22、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:图片:NO2-pA1.gif图片:NO2-pA2.gif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,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,
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