超微电流检测.docx
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超微电流检测
微弱电流信号检测记录
（2012-02-1411:
19:
12）
标签：
杂谈
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ICTSL230，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。
图片:
push-rod2.gif
3、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Intersil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。
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LMC6061/2/4、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
Ibmax：
10fA
Vosmax：
10uV
Pins：
10
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DIYMOS管的，也建议先做个IC的。
图片:
push-rod.gif
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Keithley261，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.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。
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，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Keithey610C
4、测试Keithey617
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，
图片:
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：
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）。
）。
图片:
P1090071s.jpg
7、HP自己测试其4561
图片:
HP4156.gif
+/-2fAvariationtypical,usingshortintegrationtime.
即：
短积分周期下，典型变差±2fA。
8、AgilentDCP-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：
图片:
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：
图片:
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：
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。
图片:
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。
DIY1pA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。
图片:
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
图片:
DIY汇总.gif
图片:
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：
图片:
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。
图片:
Error.gif
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