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超级微弱电流 Ultra-Low Current

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发表于 2009-9-20 21:33:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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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



零、序
1、微弱电流的意义
微电流的无处不在。
世界是物质组成的,物质中的电子是基本粒子之一,电子的运动就产生了电流。
我们人类的活动,都是靠生物电来进行的。常用的心电、脑电,还不算很微弱。更多的微小电流将会揭示更多的自然奥秘。
微电流的发生和测试,在半导体生产中、绝缘材料、微弱探测领域等,有着重要的地位。
在灵敏传感器的使用场合,比如漏电流测试、高阻测试、电场测试、弱光测试、射线探测等,必须是微弱电流的前置放大。
然而,微电流的测试受仪器的分辨、噪音的干扰、理论的限制太多,是个比较难于进入的领域。
好在目前微电流测试的理论和产品都比较成熟,赖以制作的相关静电IC和弱电流放大器也容易获得,给我们DIY以可能。
本文即将在微电流领域做个初步探讨,限于作者水平有限,错误问题在所难免,望各位看官不吝赐教。

2、微弱电流的特点
电流,可以说是跨度非常大的物理量。常见的从亚pA一直到kA,达到15个数量级。而弱电流的范围一样很大,从亚pA到uA,跨度至少7个数量级,



3、学习微弱电流的思路
a. 查资料。资料要有用的,有参考价值的,适合自己的。这部分首选国外的,尤其是日本的、美国的,他们搞模拟电路搞的早,经验丰富,原材料齐全,网上有很多相关文献和书籍可以下载。
b. 找厂家仪器说明书。仪器手册最实在了,尤其是老仪器,当时厂家都不保守,不仅有实现原理,还有电路图。比如著名的吉时利的几款老式弱电流计K610、K617、K642,都有维修手册可以下载,要想做微电流测试的,一定要参考前人走过的路。
c. 找仪器解剖。有很多诀窍资料上是反映不出来的,或者是不直观的。只有亲手看到这些仪器的内部结构、元件选择和制作工艺方法,才能体会到理论和实践是如何结合的。如果没有亲自接触的条件,也可以查找网上的图片,但效果要差一些。
d. 选一个简单的、合适的、成熟的电路。DIY,简洁为好,尤其是首次的、极限的制作。微弱电流测试器如果搞复杂了,出了问题,都不知道如何下手,因为没有别的东西会有能力进行测试。
e. 关键元件的选择,不能含糊。例如运放,一定要选择其Ib与你测试能力相匹配的。例如要想用一个Ib比较大的普通运放作超过其能力的放大器那是不可能的,因为Ib的噪音是完全无规则的,根本不能靠抵消、靠算法解决。与运放的等效输入电压噪音一样,运放也有等效输入电流噪音,这是一个极限,不可突破的。再如一定要选高阻。无论是输入阻抗、信号源阻抗,都要选大的,这样理论噪音才能变小。fA级的电流若想要在几百兆欧的基础上测试,理论上也是不允许的,必须是10G以上。

4、微弱电流与理论
微弱电流的确涉及很多理论知识和定律,例如噪声理论、滤波方法,但我在本文里尽量避免,毕竟都是成熟的东西,我们不是来发明新理论的,也不是去验证,最多就是拿来用一下,给出结论。当然,如果做学术上的探讨则另当别论。

附1:电流相对大小
A级别电流
,常见。比如200W用电器就接近1A,好一些的LED手电,也是1A附近
mA级别电流,很常见。比如半导体收音机的静态电流几mA到几十mA,各种充电器原边电流也都是mA级别的
uA级别电流,也比较常见。比如电池供电的液晶表、手表和液晶计算器,是几uA到几十uA的。指针石英钟也就是百十uA。指针万用表可以很方便的测试uA级别电流,大部分都有50uA满度档,甚至有10uA满度档
nA级别电流,这个就比较少见了,很少有用电器能消耗这么小的电流,也很少有常见的万用表能测量nA级的电流,所以好像nA是一个禁区,因此<1uA也被认为是微弱电流的开始。但实际上,这样的电流恰恰是生物电的领域,也是各种泄露电流最常见的范围,对应的电阻是几十兆到几百兆。事实上,很多手持表是可以测试uA以下电流的,比如Fluke 187,有500.00uA档,就是可以分辨出10nA的电流。同样,UT-71D也有类似档位。即便数字表没有这样的档,我们也可以简单而准确的测试nA电流。例如有个三位半的表,带有200.0mV电压档,并联个100k电阻,就成为2000nA满度的电流表了。如果并联个1.11M电阻(与内部的10M形成1M),满度就是200.0nA,名副其实的nA表!
pA级别的电流,这个更少见了。搞电子的都知道pF是电容的单位,但很多人不知道pA是多大。pA电流也叫皮安电流,范围是1pA到999pA。实际上,好的绝缘材料在常压下的漏电流都可以小于pA级,只有差的材料落在pA范围,因此,这可以用来区分绝缘材料的好坏。同样,这也可以作为粗略区分薄膜电容漏电流的一个方法。常规测试仪器对于pA级的电流一般是无能为力的,需要自己用特殊放大器或场效应管来做前级。
亚pA级别的电流。也就是说,不到1pA的电流,涉及到静电领域,因此能测试亚pA的电流表都叫做静电表。测试和产生亚pA是一个很大的挑战,1pA附近的尤其是低于1pA的,可以认为是超级微弱电流,也是本文讨论的重点。
亚pA级电流,包括了fA级别的,例如特富龙等材料的漏电、MOS管或者好的小电容的漏电,都是fA级别的。至于更小的,那就到aA了,还真有很多仪器的分辨有到aA的,例如Keithley 617和6517为100aA,K642和K6430为10aA。另外,见有国产仪器可以分辨到10aA的,不知真假。

附2:弱小词头
m = 1E-3 = 毫 = mili-。注意这个词头要小写。大写的是M=兆=百万
μ = 1E-6 = 微 = micro-。μ因为不容易打出来,因此常用u来替代
n = 1E-9 = 纳 = nano-。常说的纳米,就是这个纳
p = 1E-12 = 皮 = pico-。1皮安以下,才可以认为是真正微弱电流
f = 1E-15 = 飞 = femto-。不少好的静电运放,其Ib就是fA级别的,比如25fA、10fA,甚至2fA。
a = 1E-18 = 阿 = atto-。

电子的电荷大约是1.602×10^-19库仑,每秒有10个电子流过,那电流就是1.6aA,而1fA就相当于每秒有6240个电子流过。
10^18欧的绝缘体,如果加上1V电压,那电流就是1aA,每秒只有6个电子。
 楼主| 发表于 2009-9-20 21:33:13 | 显示全部楼层
一、微弱电流测试器的指标

微电流测试自然要靠仪器,而是仪器就有表征其特点和好坏的指标。微电流仪也不例外,但有其特殊的指标。

1、最小量程
也就是最小的满度量程。这个越小,就代表越有能力测量微弱电流。模拟微电流表由于指针分辨有限,因此要测试微弱电流,其最小量程就必须很小,有些甚至是亚pA的;而数字微电流表由于分辨比较高,最小量程一般是pA级别。很多人心目中,把能否测试1pA作为微弱电流测试仪的标志之一。对于其它量程,数字表都是10进的来变化,但指针表一般是1-3-10-30-100这样递增的。

2、最小分辨
就是电流最小变化多少,仪器能分辨出来。对于指针表,一般是最小量程的1/100,再小就没有刻度了,尽管可以估读到1/200甚至1/500。另外,指针表的最小量程,与分辨率、与零点稳定性都是相关的,分辨再小也失去意义了。
对于数字表,3.5位的至少可以分辨到满量程的1/1000,而4.5位的就可以分辨出满量程的1/10000,很多5.5位的就可以分辨1/100000了,这样很多数字微电流表就可以分辨到亚fA,甚至到0.01fA。
但是,由于弱电流表不可避免的有噪音存在,数字表还存在量化误差,余量也较大,因此分辨只是表明理论上的最高能力。最小分辨如果超过噪音,那指标就有点虚了。指针表会表现出表针一直在抖动,数字表表现在末位总在跳动,那再高的分辨也没有用了。

3、准确度
准确度,一般是说出厂后(或校准后)一年之内,在规定的测试条件下,各档的偏差情况。
指针表一般以满刻度的百分比来表示,比如1pA档3%,就是误差不大于0.03pA。对于这个量程下的任何测试电流误差都是0.03pA,因此测试小电流就吃亏,应该尽量把指针保持在表盘的右半部份为好,至少是中间部分。当然,指针偏转较小的时候,如果零点调节的好,偏差一般要比指标低。
数字表是按读数的百分比,再加上末位的字来表示误差的。例如满度档2.000pA,误差为1%+8字,那么测试1pA时误差就是1pA*1%+0.008pA=0.018pA。
由于弱电流表零点容易改变,但由于测试速度慢,少有自动零的,因此在测试时,需要首先校零。准确度也是校零后才进行测试的。

4、满度压降
满度压降就是满量程时,测试端子有多大电压。

对于电流表,理想是内阻为0,或者越小越好。微弱电流表也是一样。这个电压大,会干扰外界测试电路,也会影响内部读数,主要原因是让等效输入电容充电,这个过程一般较长。
不同的档,满度电压不一样。一般都是最小的量程满度电压也最小。
由于弱电流仪大多采用I-V转换放大的方式的,因此小量程下的满度电压实际上都很接近于0,例如<1mV,甚至<20uV。

5、电流噪音
电流噪音,就是把所有的噪音都换算成输入电流时所表现出来的无规则波动、跳动。
电流噪音的一种表达方式,就是在最灵敏档,当输入为零时,读数的变化情况。电流输入为零,一般是开路,这样就没有外界电流输入了,更没有输入电流噪音,此时如果有读数跳动,那就是表的自身造成的。要注意的是,输入一般不进行短路测试,那样等价输入信号源内阻为零。当然,输入往往需要内部短路进行调零。
另外,在最灵敏档位,满度输入时,即便输入的是理想的无噪音的电流信号,那么输出的噪音也可能比零点噪音大。因此,噪音也可以像误差那样,表达为%档位+%读数两部分。
不同的量程,电流噪音很可能是不一样的,但是,一般都是最小量程下,电流噪音最小,这也都是仪器参数给出电流噪音的取得方法。
电流噪音一般以Ipp(电流的峰峰值)来表示,比如0.8fAp-p,因为这样测试或观察方便。当然,也有很多仪器是以rms值来给出电流噪音的,可以乘上6大体得到Ipp。
电流噪音的频率范围,一般就是0.1Hz~10Hz。
电流噪音这个指标,往往容易被忽视。一方面,有的厂家故意隐瞒这个指标,即便有,也不太受人重视。噪音电流在测试时,是直接叠加到被测试电流上的,造成读数不稳、重复性不好,而噪音的存在是宽频谱的,尤其是低频、超低频很厉害,无规则的跳动,因此在测试的过程中也不便用调零的方法给抵消。电流噪音如果高于表的最高分辩能力,那分辩再高也没有用了,数字表体现在末位乱跳。因此,看一个微电流表的最好测试能力,不能只看最高分辩,更主要的要看电流噪音,这也是表征微电流仪能测试最小电流的能力之一。
数字微电流计的不确定指标中,后面的几个字的不确定度,就可以认为主要就是由电流噪音造成的。例如K6517A,最低档末位3fA:
6517A.gif

实际上,噪音可以分成内部的“和外部”的两类。
内部的例如运放本身的固有噪音,电阻的噪音或介质吸收极化,板子漏电及波动,电容漏电或波动;
外部的包含电源供电不稳,周围电磁干扰(包括静电干扰),宇宙射线干扰,内外电缆颤动蠕动,电流源不稳,输出再次放大或采样误差等。


6、稳定度
稳定是准确的基础。
稳定度可以粗略分为短稳、中稳、长稳三类,分别以时间长短衡量不同的侧面。
a,短稳,一般是指秒稳,即每秒测试一次的电流序列,计算其阿伦方差,单位是fA(或pA等)。这个指标与上述的噪音指标有重合性,也可以说是噪音指标的一个特例,阿伦方差便于数字采集后计算,因此使用也比较方便。秒稳实际上反映了仪器快速、精确测试的能力,因为弱电流测试往往采样时间越长测试的越精确,而秒稳就使得大家测试时间有一个共同的对比点。
b,中稳,一般是以小时为单位或者以天为单位,仪器测试的变动情况。一般来讲,一组测试要分好多阶段,在中稳时间线内完成。如果仪器中稳不好,势必需要经常校准、经常调零,另外,有些测试需要较长时间连续监测,这样也不便于中间停下来进行校准。弱电流仪器的换档时间很长,也不方便像普通数字表那样加入自动零点,否则需要等待很长时间。
c,长稳,一般是3个月或者1年的指标,这个就与上述准确度密切相关了。年稳如果不好,直接影响年准确度,但年稳非常好的,如果没有进行调准/校准,准确度也不高。因此,长稳是准确度的基础。除了稳定度外,长稳指标中还包含了一部分温度变化和校准的不确定度。
如果从阿伦方差的角度看,是看一个量从对数时间轴上展开的变动情况。
log9600v.gif
对于微电流测试系统,低于1秒的意义不大,如果是在要低,那么也会类似图上那样,稳定度要降低。同样,如果测试时间加长,那么稳定度还能提高。直到有个极值点,过了这个时间后,稳定度变差了。  


7、温度系数
这个不多说了,什么表都有温度系数,但由于弱电流表里面的关键元件是高阻,这个温度系数更大一些。
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:33:22 | 显示全部楼层
二、微弱电流测试所需要的条件
为了进行微电流测试,尤其是DIY微电流测试仪,必须具备一些条件:

1、必要的微电流参考仪器
为直接测试所必需,或者DIY时参考用。常见的一些弱电流仪/高阻仪/静电计,在下面有详细说明。

2、必要的参考文件
这个也无需多说,要有相应的理论知识、一定的实践能力,还有一些参考文献。
最有用的参考书,可以认为就是Keithley的《低电平测量手册》了,网上有下载,甚至有中文版的书可以索取。
其次的参考就是老一些的Keithley的静电计的维护手册,比如617的、642的,这些都是实际产品、多年积累。网上有下载,内容介绍的比较详尽,有结构框度、原理说明、电路图等,DIY微电流测试仪必读。

3、必要的参考放大器
这个是DIY所必需的,详细说明参见下面。

4、必要的高阻电阻
高阻从来都是与小电流密切的联系在一起的。
高阻一般做为小电流的采样电阻,或者作为反馈电阻。当满度为1pA时,需要的是100G级别的的高阻,或者采用别的方式和降低信噪比要求,可以降低到10G或者再低一些。
另一方面,高阻在微小电流发生器的产生中也是必须的,这些微小电流一方便作为被测样本,也可以做校验校准源。
这样的电阻,同时还要求具有比较高的精度,因为电阻的精度是直接影响电流准确度指标的。
有关高阻,下面有详细说明。

5、必要的辅助材料
主要是高绝缘材料,例如特氟龙、蓝宝石、各种高绝缘导线。也包含屏蔽外壳。
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:33:43 | 显示全部楼层
三、微弱电流计

曾经有一些著名厂家设计生产过一些优秀的微弱电流计,一般冠以静电计,因为可以测试的电流实在是太小,进入静电领域。
另一方面,弱电流的测试经常与高阻测试分不开的,所以这些仪器基本上同时也是高阻计。
还有,电荷测试和电压测试也是常见的附加功能,再就是附带电压源,便于进行高阻测试。

1、Keithley 610C
这个是个模拟指针静电计的代表之一,指标优秀,国外常见。
正面上方是一个很大的表头,镜面读数,有4个常用的刻度。
下面最大的就是一个功能和量程选择开关,可选电压、电流、电阻、电荷4种测试功能,上面还有个倍量程开关,可选0.001、0.003、0.01、0.03、0.1、0.3、1、3、10、30、100倍,用起来倒也方便。
最小满度量程是惊人的0.01pA!
从内部图可以看到,是早期产品。从上面标写的“固态电路”也能看出来,这个词是很早以前,区别真空器件(电子管、VFD)用的。
3-1-610Ca.jpg
3-1-610Cbp.jpg
3-1-610Cc.jpg
3-1-610Cd.gif    

由于采用了分立的FET管(非对管、非运放)做第一级放大,在保证了电流指标的同时,也带来了一定的不对称性,因此使用中需要经常调零(有三个零位调节旋钮:粗、中、细)。

2、HP4329A

也是模拟指针的,电流档从2.00pA一直到20uA,最小刻度0.05pA,实际可以分辨到0.01pA。这实际上是一款高阻表为主的仪器,但微电流功能也是相当不错的。具有记录输出,接上数字表采集后,噪音非常小,仅为0.0011pA。
73968225_o.jpg
DSCN2373s.jpg

电路上,采用了调制解调的方法,因此完全省去了零点调节,无论是在最高电阻档,还是在最小电流档,无输入的情况下零点基本不动,用起来非常方便。
circuit.gif

输入部分,反馈电阻最大为100G
inputR.gif

3、Keithley 617
这是一款比较典型的数字静电计,性能指标比较高,国内二手市场也能见到。
最小电流档是2pA满度,最小分辨是0.1fA(虚指标),末位不确定度为6.6fA(即末位66个字)。
网上比较全面介绍617的,可以参考木头的帖子:http://bbs.leowood.net/forum_read.asp?id=3910539
这表是多功能的,还可以测试电压、高阻、电荷。
这表有个很不错的功能,就是带一个±100V的可编程电压源(2mA)。
转两张木头617的照片:
3-2-617-1.jpg
3-2-617-2.jpg   
可以看到,输入端子和电压源,都在背后,因此比较适合机架方式的测试,业余使用就不太方便。尤其是具有2缺口的三同轴,难于配备,从背后引出后需要屏蔽接线盒才好测试。

内部输入部分:
信号输入板p.jpg

输入部分,反馈电阻最大为100G
inputR.gif

4、Keithley 642
这是一款顶峰造极的静电计,最小满度档为0.2pA,最低分辨达到了惊人的0.01fA!至今还没后者能超过。
相关看,其电流噪音指标0.08fA也是最小的,因此末位不确定度仅仅0.6fA。
采用探头分离设计,这样可以排除干扰,便于屏蔽,方便接近被测试对象。
eBay曾经出过的一个642
cb3e_1.jpg
其探头
0d61_1.jpg
thy888曾经出过一个642主机,其貌不扬
thy888a.jpg
尾部。巨大的探头插头
thy888b.jpg
探头绝缘用了蓝宝石
insulator.jpg

表的内部:
2_27_dec8346e9c6428di.jpg

输入部分,反馈电阻最大为1T
inputR.gif
第一级放大为MOSFET对管Q201,没说是啥型号。


5、Keithley 6517/6517A
这款是617的改进型,代表了当时Keithley的最高水平,售价很高
功能上比较强,外观也很现代,是与2000/2001/2002类似布局的半宽小表,后面板很复杂。当然,弱电流的测试能力还是赶不上642
3-3-6517-1.jpg
3-3-6517-2.jpg
K的现代静电计都采用三同轴插座/插头
3-3-6517-3.jpg

内部输入部分:
internal.jpg

6、Advantest R8240/8340
只有200pA满度档,分辨10fA,隔壁yjm曾有一个,后来因找不到三同轴测试电缆,出手了:
3-5-.jpg


7、高联的6520
这其实是一款高阻计,其指标比Keithley的要好。但遗憾的是,微电流档不如,因此就不细看了
3-6-6520.jpg


总表
instru.gif

补充,K6430是一款源表,数字的,一些指标与642类似。

从实际测试非常小的电流(比如10fA)的能力来看,除了K642外,居然很老的610C还能排在第2位。这主要是因为有10fA满度档的原因,而别的数字表,只能用尾数来读。
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:33:56 | 显示全部楼层
四、高阻电阻

1、高阻的意义
弱电流的产生离不开高阻做采样,弱电流的测试也需要高阻作为反馈电阻。同样,测试高阻的时候,也同样需要微电流计。高阻与微弱电流就是这样紧密联系在一起的。

根据Johnson Noise理论,可以测试的最小电流受下列电流噪音公式约束:
I^2 = 4 * k * T * B / R
其中k是玻尔兹曼常数,为1.38E-23,T是绝对温度,B是带宽,R是信号源内阻。
把常见的T=300度、B=1Hz、R=10MΩ带入,结果得到40.7fA。显然这个噪音对于微弱电流还是太大,要想改进,在常规场合、测试速度确定的场合下,唯一我们能做的就是提高信号源内阻。如果R选择1GΩ,那么电流噪音就变成4.1fA了,减到了1/10。假如继续把R增大到100G,那么噪音极限就达到0.4fA了(2fApp,如图红圈所示)。K642里面的反馈电阻最大用到了12次方,这与其0.08fArms的电流噪音指标是吻合的。如果进一步要其测试下限达到1E-17(10aArms,50aApp)也是可能的,只要提高信号源内阻到100T,同时要加大一些测试时间,如绿圈所示。因此可以看到,单从噪音从这一点看我们就需要超高阻。
noise2.gif
(注:此图选自Keithley "Low level measurements handbook" 5th ed. 2-54,并做了左端延伸)

重申一下:高阻对弱电流测试有利。内阻越高则电流噪音越低。这个概念与微电压的测试正好相反,因此有一些人转不过弯来,的确,内阻高则噪音大,但噪音与内阻的半次方成正比,但量程是与内阻的1次方成正比的。

另一个简化公式,用了峰峰值方法来表达:
Noise-K.gif

注:常见的电阻阻值范围是1欧到10M,达到几十M、100M,就可以认为是高阻了。
更高的电阻,用M来表示已经不够,就需要用G来表示,1G=1000M,这个与硬盘的容量的表示方法是一样的
有的时候用G表示也不够了,我们就用T来表示,1T=1000G=1E12。

2、高阻的特点
最简单的弱电流测试,就是让弱电流流过一个高阻电阻,然后测试这个高阻上的压降。
例如我们如果有个10G(也就是10,000M)的电阻,那么1pA的电流流过,就能产生10mV的电压,就很有可能测量出来。
同样,假设我们要产生一个1pA的电流,也可以先得到10mV的电压,再加上一个10G的电阻就可以了。
当要求的测试的电流越小,或者想产生更小的电流,就要求电阻的阻值越高,100G、1T的电阻也是经常能见到的。
显然,电流的测试精度和产生精度直接取决于电阻的精度,所以这就对这些高阻提出了更高的要求。

我们知道,最好的电阻材料是金属,也就是金属箔电阻、线绕电阻所用的材料。但是,金属的电导率比较好,一旦电阻超过一定数值,就需要很细(比头发丝细得多)、很长(至少几公里)的线,这就不现实了。所以,高阻电阻都是采用电阻率超高的材料,例如金属氧化膜、有机材料。这些材料的温度系数很难找到好的,而且稳定性也很难做好,成为高阻电阻的一个挑战。现在比较常见的材料,是二氧化钌,无论是国外的知名高阻,还是国内的718厂,都用这种材料
superMox.gif
RI80.gif

上面说了,要想得到精确的电流,或者能精确的测试微小电流,就需要高精度的高阻。而恰恰是高阻电阻很难做到精确,所以微小电流的发生和测试,都不那么精确。
高阻除了温度系数比较大、老化比较大以外,还有几个难于克服的弱点:
a、湿度系数大。这主要原因在于很多电阻材料容易吸湿,而少许的吸湿就将大比例的改变高阻。另外,尽管很多高阻采取了密封措施,但表面泄露经常是更危险的,表面的脏污加上潮是,将彻底毁掉一个高阻。
b、电压系数大。所谓电压系数,就是在不同电压下电阻是不同的。也就是说,在高阻的场合下,电流-电压曲线出现了非线性,不太遵从欧姆定律了。每变化1V,电阻可能改变几ppm、几十ppm甚至更多。越高的阻值这种现象越明显。
c、响应时间很慢。这主要是分布电容造成的。如果有个10T的电阻,在10pF的分布电容下,时间常数就是不可思议的τ=100秒!而一般的测试都要等待3τ时间。因此,除非采取特殊措施,否则在T级别的电阻下,就必须忍耐超常的测试时间。
d、极化效应。高阻在加上电压后(尤其是高压),其内部介质会产生类似驻极体效应的那种较长时间的电荷累积,然后会在一个比较长的时间内慢慢释放,影响测量结果。
由于这些弱点,加上高阻本身测试的难度,因此市面上高阻很少,有的话性能也很一般,价格比较贵。

3、高阻的使用
鉴于此类原因,在很多场合下都尽量避免高阻的采用。这样,在电流发生的场合,就要减少电压。例如本来10pA的电流可以采用1V和100G来产生,要是降低标准电压到0.1V,那么只要10G就可以同样产生10pA电流。要是降低到10mV,那么只需要1G电阻了。
同样,在电流的检测和反馈电路,本来10pA在100G上可以产生1V的电压。假设我们把这个满度电压降低到0.1V,就可以把电阻降低到1/10为10G。
当然,这种做法带来两个问题,一个是降低电压就需要放大器的Vos更小,也对调零电路、补偿电路提出更高的要求;另一个问题是低阻电压源的电流噪音比较大。

值得注意的是,高阻往往与高压联系在一起的。原因是高压的发生、测试,都要求高阻;而高阻的测试,往往要用到高压。
但是,一旦到了弱小电流领域,对高压、耐压就没什么要求,只要求体积小、性能好。只不过很多高阻为了照顾在高压下的表现,要兼顾两个方面的需求。一旦涉及高压,电阻的体积就比较大。即便不涉及高压的高阻,体积大点也容易做出。


4、虚拟高阻:模拟大电阻
高精度实物高阻很难做,因此可以采用有源技术模拟出大电阻来。


5、常见的实物高阻

这个是国产的100M氧化膜电阻,1/W体积(直径2.5mm),特点是廉价,但温度系数非常之大,根本不能用于精密场合
4-100M.jpg


这种是国内新近出品,1/4W(直径2.5mm),100M和1G的。实测100M的不错,一般在101M到101.5M之间,温漂约50ppm,但1G的比较差,大多阻值为820M到950M之间,温漂有1000ppm附近
P1070893m.jpg


这个是日本的100M电阻,1/4W大小,随手在日本买的(每只100日元),温度系数很小,30ppm级别
4-100M日.jpg

国产RHZ合成膜电阻。阻值范围很宽,特性一般,体积较大
4-RHZ合成膜.jpg   


国产的100G的高压电阻,5%,外皮是比较软的油漆,但电性能还不错
P1070987s.jpg

这是同一个系列、1000G(1T)的,极化效应不大:
DSCN0743s.jpg

这是常见的国产真空电阻。内部也是合成膜的,温度系数一般,电压系数比较大,低压下阻值偏小。另外,玻璃管里面不完全是真空,有稀薄气体,如果电压加到2000V,就有辉光放电。但由于彻底隔绝外界,因此稳定性不错的,也不受湿度变化的影响。
4-glass.jpg
DSCN9409s.jpg

国产BZ17标准电阻里面拆出来的1T:
DSCN0751s.jpg

Dale的真空电阻,30G的,是一块弱电流测试板上的关键电阻(反馈电阻)
4-glass-dale.jpg

HSK瓷管高阻。10T非常大了,所以能做到5%也很不容易。与玻璃比,瓷管密封的也是相当不错的,但这些电阻有的阻值变化很大,2个10T的其中一个只有2.5T了。另外,这种电阻极化效应很大。
4-copy-10Tp.jpg
4-未命名m.jpg   
  

日本Finechem的RHnHVS,表面光滑硬度高,应该是玻璃釉的。指标和大电压下表现非常好,都是1%。阻值是1-3.33-10步进的,从1M一直到1T,是某模拟高阻表上拆下来的。
最大的1T的,温度系数指标是<0.1%/C,即<1000ppm/C。误差是1%(F)。
这个模拟表,不知道是哪款,但能用到1E12、1%,肯定不简单。但是,后来测试表明,这种100G到1T的电阻,在小电压下表现失常,见后面的DIY弱电流的测试部分。
后来测试发现,这几只电阻的介质吸收效应比较大,不适合小电压下使用。
4-RHnHVS.jpg

这是617内部的最大电阻250G、5%,牌子是COBRA(眼镜蛇),蓝色的涂层估计是防潮的。还有类似的一个100G的、2%,是电流采样电阻/反馈电阻。我自己很喜欢这种沟槽很细的、导电途径长的,这样电压系数小、耐压高。
4-330G.jpg
4-100G.jpg

阻值最大的商品电阻,恐怕就是这种Welwyn 100T的了,英国品牌,现属于TT。能做到5%也很不容易,价格不菲。
WELWYN 100T玻璃釉电阻p.jpg


高阻的规格和来源
高阻.gif

高阻的粗略价格
粗略价格.gif
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五、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。
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)
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:
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。
No2-Cf.gif


从电路上看,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。
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。
push-rod2.gif


3、常见的静电放大运放IC
   OpAmp.gif


从指标上看,Ib最小的,当属Intersil早年的ICH8500A,Ib不大于10fA!
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Vos<0.18mV,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,Vos<0.35mV,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Vos<0.5mV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Ib<75fA,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。
DSCN9174s.jpg
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。
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。
DSCN9234s.jpg

补充,3430K找到了一点资料:
厂家:Linear
形式:单运放
Ib max:10fA
Vos max:10uV
Pins:10
http://www.americanmicrosemi.com/information/spec/?ss_pn=3430K


4、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DIY MOS管的,也建议先做个IC的。
push-rod.gif
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:34:29 | 显示全部楼层
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、1T
0.1V、100G
10mV、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Keithley 261,国产的WD-1
8-1.jpg
C2s.jpg
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。
01.jpg
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:
P1070984s.jpg


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。
电流源.gif
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:34:37 | 显示全部楼层
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,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:
P1070980s2.jpg
HP4329A-1pA.gif
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 610C


4、测试Keithey 617


5、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,

DSCN5966s2.jpg

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:
NO2-pA1.gif
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30G×470pF=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,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)。 P1090071s.jpg


7、HP自己测试其4561
HP 4156.gif
+/- 2fA variation typical, using short 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。
Agilent DCP-HTR.gif
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:34:45 | 显示全部楼层
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://bbs.21ic.com/icview-129933-1-1.html
measure.jpg

由于运放采用了AD8628,Ib很大(30pA典型值,100pA最大),因此其温漂、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:
xian-1pA发生2.jpg
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2007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://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10700-2008035983.htm

他的理论分析很好,知道反馈电阻越大越好,但除了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。
xian-1pA发生.jpg

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,100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。

31.gif


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

DIY汇总.gif
DIYcompare.gif

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:
Iref.gif

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引起的相对误差。假如Rref为0.5%,那么满量程下会引起1pA×0.5%=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ΔVos=0.5mV、ΔIb=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说了,见表中最后一栏,为2.4fA。
Error.gif


1pA
也许有人会问,为什么我们总是拿1pA做例子?对比测试也都是在1pA的水平上进行?
主要是,1pA才进入到真正超微电流的领域。1pA具有较大的挑战,无论是期间选择还是板子布局制作,还是后期测试,都有较大的难度。10pA尤其是0.1nA,没有太大难度了。另一方面,1pA在超高阻测试、绝缘和静电领域也很有用途,很多仪器在介绍的时候,最小电流和最高电阻,也以能达到1pA为目标。
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 楼主| 发表于 2009-9-20 21:34:52 | 显示全部楼层
九、微弱电流测试器DIY

本段比较长,简单总结一下:通过采取LMC6062A双运放、100G反馈电阻和5pF的反馈电动的经典电路,加上独特的输入岛,电池供电,取得了1fA的实际超微电流分辨能力和10fA的测试能力(10%误差)。

电路:经典电路。除了一个附加的1M电阻外,没有其它额外元件。
diag.gif


运放:LMC6062AIN。之所以要采取这个运放,是因为其低偏流(10fA)、低功耗(20uA)、低压工作(5V),而且是双运放。本来想选择Ib典型值只有2fA的LMC6042AIN,但一下子找不到了,好在特性类似、管脚兼容,可以方便的互换。另外,运放最好是双列直插的(或8脚金封TO5),这样才好把引脚翘起。用了LMC6062后才发现,这运放比6042的Vos要小很多,典型值只有100uV,这样零点漂移也小,也不用调零了。
031运放.jpg
为什么没采用静电计专用的LMC6001A?这款运放Ib典型值也是10fA,不具备什么优势,耗电也大些,电脑可以将来扩展,位置也预留了。另外,还可以采用LMP7721。
至于运放的封装,按照NSC的说法,同一型号,金封的反而Ib要大(LPC661):
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反馈电阻:国产100G。采用这电阻主要是来源取材方便,性能不错。本来可以采用进口的,但试验了两种,小电压下效果非常差(见后面的测试)。以后如果有更好的运放,可以采用更大的电阻例如1T,但必须测试合格。
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反馈电容:自制5pF。电容的选择一方面要抵消输入电容使得响应快速,另一方面也要与反馈电阻匹配,让时间常数为零点几秒,太大了滞后而达不到快速采样的目的(一般要1秒附近),太小了起不到作用。采用5pF则与100G电阻组成0.5秒的时间常数。由于商品5pF低漏电电容很难找,因此采用一段10cm的细F4线米绕自制。
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另外一种方式,是用F4单芯屏蔽线来做,中间的绝缘层也比较薄,10cm有20pF,这个是我为德国微流板做的:
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电路板:万能板

机壳:长112mm、宽76mm、厚36mm型材铝盒


1、首先切板,按照铝盒内部尺寸,放入后不紧但也不晃。用钢锯切割,先留有少许余量,然后用锉刀修正,除去毛茬。

2、做输入隔离岛,这个自认为是比较关键的部位。
输入隔离岛,简称输入岛,是一个独立的物理和电器区域,能让输入接线、反馈电阻、反馈电容、运放输入全部接到一起,并与外部高度绝缘,电器上是运放的虚地,基本是地电位。输入岛与外界的漏电,直接影响到整体性能,而漏电流的不确定性,也将严重影响电路的噪音。假若要求性能达到1fA(10的-15次方),那么假设在10的13次方漏阻的场合下,至少电位差要限制在1mV之内,才能满足性能并留有余量。
德国板的输入岛(粉色线区域),没用F4,采用了普通环氧板开槽焊接,设计也很合理,很结实,就是体积大一些:
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其实,输入岛正规的做法一般是用特富龙材料,外部加上金属地电位屏蔽。一般是多个F4柱子,周围有环状隔离屏蔽(地电位),例如Keithley 617的:
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我这里用BNC插座改制,里面绝缘是F4材料,中心导体可以利用,外围金属既做固定也做屏蔽。先按照安装空间切割BNC插头,找个丝锥正好与其螺丝配合,钻孔攻丝,拧入,下端用螺丝固定,并压在地线上。
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由于引脚不足,因此直接从原中心导体上焊出多根插针,这样节省地方,电性能好,缺陷是机械上不很稳定。好在自己用,无需经受强烈震动也无妨碍。焊接的插针有两种,大的是从25针的串口插座中拆出,可以插入1mm的引线,小的从8脚圆DIL管座拆出。
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3、电源部分
电源用常见的9V层叠电池,内置。这是减少干扰的最有效的手段。很多高阻和微电流测试的噪音大,很可能是从外部供电引入的。由于采取省电设计,总电流不超过0.1mA,因此一节9V电池可以使用3000多个小时。
电源首先用HT7150低压差、低功耗CMOS三端稳压成5V,输入、输出均接一个4.7uF的电容。这部分自耗电<3uA。
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然后用运放+100k二只分压,就成为±2.5V了,供给另一半运放做放大。这部分自耗电35uA。
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采用100k电阻从-2.5V向LM385-1.2提供12.5uA的电流,然后用262k+1M+100k+10k+1k对1.235V分压,得到1V、100mV、10mV和1mV。
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4、其它部分安装
输出的插头要多个,以便适应不同的反馈电阻和反馈电容;
运放的负输入的脚步要插入插座,而是挑起,用焊有插座芯的电阻直接插入。
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5、测试
测试时,首先测试功能,是否好用,是否能输出100mV/pA。标准电压选0.1V,无源电阻也选100G,这样正好就是1pA,首次加电试验成功。
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然后测试零点,以便调整反馈电容、选择运放,甚至改变反馈电阻。
见图,下面的天蓝曲线,输出只有0.2mV左右。这0.2mV如果全部为运放的Vos产生,则Vos=0.2mV;如果全部由Ib产生,则Ib=0.2mV/100G=2fA,很小。另外,零点的噪音也很小,阿伦方差只有0.15fA,标准差也只有0.19fA。好的零点,使得电路有了一个好的基础。
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接下来,利用各种电压和电阻的组合发生1pA进行测试。1pA可以用100G+0.1V、1T+1V方法产生,甚至可以用10G+0.01V。其中100G也可以换用不同的。这种试验整整做了一天,因为每次测试都需要10到15分钟,测试时要避免人的走动,这里面有很多曲折不表,只给出一个典型的多曲线结果:
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从曲线可以看到,上面两个曲线是弯曲的,属于日产高阻(1T和100G)在小电压下特性不好,加上固定的电压(1V和0.1V)后,在长达600多秒的时间内电流(或电阻)一直在变化。换用国产的几个电阻,包括一个100G的真空电阻后,曲线就平了。开始我一直怀疑自己的电路部分有问题,经过反复替代对比,终于确认是两种进口电阻的介质吸收、介质极化问题。
下面的蓝色线,也就是首次测试所用的国产100G,尽管很平,但噪音比较大。经过替换对比,属于电阻本身的问题。
最下面的红色线,属于正常,标准差和阿伦方差几乎相等。


给出一个开机测试,1pA电流,每秒采样一次,开机时间很短,100个连续点的方差只有0.25fA,峰峰值1.1fA。
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另外,这种超微电流测试,对干扰也非常敏感。例如采集表MX6.5一边充电一边采集,就比无干扰下短稳要大一倍,毛刺也很多。甚至只开电源不充电都能看出干扰。
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看一下更小电流下的100fA和10fA的测试。其中弯曲的三条曲线属于电阻问题。
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可以看到,黑色的零点和蓝色的12fA之间,区别间隔明显,如果有一个1fA的差异,也完全有能力测试出来。


测试一下此运放的输入偏置电流Ib,用的就是下面的电路,就是把本身的反馈电阻暂时取下,无输入,利用5pF的Cf做积分,看输出电压上升率来求得Ib:


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这样,该运放的Ib为5fA,方向是向外,是典型值10fA的一半。
如果要补偿这个电流,可以用分压法先得到±2mV的电压,然后用一个电位器跨接上,可以出-2mV~+2mV的可调电压,用一个100G的电阻接到输入岛,就可以补偿±20fA的Ib了。这种补偿同时补偿了Vos。

测试一下该运放的Vos,用一个小电阻替代Rf,从输出上就可以直接读出Vos,为+0.096mV。

装上输入接口、输出接口、电源输入和开关后:


至此,1pA测试器制作基本完成。由于要替换测试,因此还保留了关键元件插座。
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