这种弱电流测量必须要充分屏蔽,不管用什么供电,不然外界电容耦合来的50Hz噪声,还有非线性带来的offset会盖过一切。可以先拿铝箔包起来试试看。
另外现在用AD549去设计基本上没有优势(除了供电电压高)。 LMC662又便宜又好用, 或者ADA4530-1, 需要大输出电压/动态范围的时候参考Kelthley 617的设计再加一级。
微电流一般指测量幅度小于1nA的电流,往往跟高阻电阻测量、微电荷测量等操作有关。微电流测量的应用虽然比较少,但在特定领域内还是很重要的,比如半导体行业中测量晶体管的漏电流、材料研究中测量绝缘材料的实际电阻、用压电陶瓷测量振动产生的电荷信号、化学光谱仪内测量光电探测器输出的电流微变化,等等。与其他电子学测量不同,微电流测量不仅需要专用的高性能电子学器件,还要在PCB板上制作高阻抗结构,以防电路板漏电影响测量精度。早期设备往往用绝缘岛结构处理漏电流,现代设备一般用等电势保护环来处理,操作上有一点差异。
现代电子学要求将一切物理量转变成电压,再进行测量,微电流也不例外。电子学上一般用运算放大器搭建跨导放大电路来测量电流大小,如下图所示。这个电路中,运算放大器会改变输出引脚的电压,迫使电流流过检流电阻,最终实现正负输入引脚的电压相等。此时,电路输出电压就正比于待测电流,就可以通过测量电压来测定电流大小。
在实际操作中,运算放大器的输入引脚会漏入一点点电流,可以用输入偏置电流、输入失调电流这两个指标来衡量。在半导体工艺还不太完善的时期,运算放大器用三极管制作,输入偏置电流通常超过1nA,是不能测量微弱电流的。随着场效应管的应用,运算放大器的输入阻抗显著提升,漏电流能被控制到1fA以下(1fA=0.000000nA=10-15A),才算是解决了器件的问题。Intersil ICH8500是最早的低偏置电流运算放大器,输入偏置电流保证不超过100fA;ADI AD549是比较常用的低偏置运放,输入偏置电流保证不超过60fA;ADI ADA4530-1是目前偏置电流最低的运放,保证不超过20fA。
有了低偏置电流运算放大器以后,人们发现光靠电子学器件还不能解决问题,电路板本身也会发生漏电,导致微电流测量出现偏差。早期的电路板用电木(酚醛树脂)制作,现代则常用FR4玻璃纤维材料制作,一般认为电阻率偏低,无法抵抗微电流泄漏;如果电路板上有残留的助焊剂,电流泄漏还会进一步恶化。早期的解决办法被称为绝缘岛(Insulation Island),需要在电路板上插入一节高阻抗的特氟龙塑料,在塑料中央插入一节金属,再将输入电流、运算放大器引脚、检流电阻引脚焊接到这节金属上,使泄漏电流脱离电路板传输,如下图所示。
这种绝缘岛在老设备中比较常见。下图是Keithley 617微电流表中使用的绝缘岛结构。该器件用一对场效应管作为运放的前级输入,场效应管的引脚代替了运算放大器,和检流电阻引脚、输入电流导线、继电器开关引脚等都被焊接在在绝缘岛上。这个绝缘岛用特氟龙塑料制作,插在电路板的开孔上,中间插入一根Y型金属柱来焊接导线。
对照电路图可以看出,这是一个典型的JFET前级+运算放大器组成的放大电路。该电路用高阻抗的干簧继电器配置连接方式,可以用电阻R330(阻值100GΩ)、R331(阻值100MΩ)、R332(阻值100kΩ)组成跨导放大电路,也可以让待测电流直接流过电阻R332(阻值250GΩ),再用放大器件直接测量电压。与输入电流有关的器件都焊接在绝缘岛上,没有触碰电路板。
有趣的是,该设备的持有者弄坏了场效应管前级,于是用LMC662低偏置电流运放替换了这对场效应管,形成了下图所示的绝缘岛结构。这个结构有点粗糙,但也将输入电流和电路板成功隔离开,同样满足绝缘岛的要求。
前几年我也做过这种绝缘岛结构的电流放大器,下图是我制作的放大电路。我用的是ADA4530-1运算放大器,放大器被固定在一块特氟龙板上,固定方式是这样的:在特氟龙板边缘打孔,将金属丝穿过孔,并焊接到运放引脚上(输入电流的引脚不能焊接),然后拉直绷住金属丝,稍作固定后焊接到底部的电路板上;输入电流的引脚用浮空的金属丝连接到绝缘岛上,跟输入电流导线、检流电阻引脚焊接到一起。我也尝试过掰弯ADA4530-1的引脚去直接焊接,但引脚太脆被掰断了,所以搞了这套非常麻烦的安装结构。
绝缘岛设计依赖手工焊接,需要使用直插器件,大量制作时很消耗人力。现代电路一般采用等电势保护环的设计,用导电层包裹待测电流路径,并向导电层输入跟待测电流路径相等的电压;导电层和待测电流路径都在电路板上,但中间尽量尝试开槽,增加导电层到电流路径的阻抗。这个导电层被称作保护环(Guard Ring),保护环上电压与待测电流路径相同,不产生漏电;保护环外的漏电电流无法跨过保护环,会泄漏到保护环的电压驱动器件上,不影响待测电流。
下图是Keysight B2987A微电流表中的跨导放大电路,输入电流从浮空的导线接入,进入电路板上层的铜线中。铜线在上层被铜层包裹,整个铜层的电压与电流所在铜线相同,因此铜层不会向铜线漏电,铜层外的高电压位置则会向铜层漏电,不会影响待测电流。这些铜线连接到高阻电阻和低偏置电流运放上,在电阻的引脚周围,铜层和电阻引脚之间还做了大弧度的开槽,几乎掏空了电阻引脚连接的电路板,进一步增加了铜层到铜线的阻抗。电路板背面上,电阻引脚也被细细的铜线包裹,在背面形成另一层保护环,防范电路板背面的漏电流。
我模仿了这里的开槽方式,用AD549低偏置电流运放制作了一个电流检测电路,电路图和PCB布局如下图所示。AD549上连接待测电流的引脚被拖到一边,用一圈细铜带组成保护环,保护环内去除阻焊层,防止漏电流从阻焊层越过保护环;保护环外开槽掏空电路板,增加漏电流传输阻抗。保护环受OP07运放搭建的跟随器输出驱动,跟随器输入连接到AD549的另一个输入引脚上,从该引脚获得电流路径上的电压。该引脚实际上是接地的,因此保护环的电压等于GND电压。电流用外部导线输入,焊接到保护环内的通孔上,经过0603 1MΩ电阻后进入运放,电阻用于防护静电冲击。
制作这个电路时,有些问题我考虑得不太充分,主要有这些地方:
保护环用PCB布线的方式制作,而不是用PCB铺铜制作。这种做法会让电流从电路板夹层中进入测试点,效果应该会比较差。我在顶层、底层布线之间打了几个过孔,能降低一点夹层的漏电流。
PCB开槽做在保护环外侧而不是内侧,这样效果应该会变差,好在开槽和保护环之间没有任何元件,应该算侥幸过关。
PCB开槽应该做在测试点到运放、供电LDO等元件的内侧,而不是没有器件的外侧,因为会引发漏电的电压源都在内侧这边,比如运放的供电引脚之类。这是个无可辩驳的大失误。
PCB板底层做了大面积GND铺铜,而GND层的电压一般与测试点相同(偏差值与运放的输入失调电压有关),效果上跟保护环应该差不多,能抵抗一点漏电流。
用这个电阻搭建的电路实物如下图所示。我在亚克力板上打孔插入3个绝缘岛,连接了2只68GΩ的电阻。第一个电阻一端接电压源,另一端连接到电流输入端,电压源在该电阻上产生微电流,进入待测电路。第二个电阻分别接电流输入端和电压输出端,作为跨导放大电路的检流电阻使用。第二只绝缘岛用普通导线连接到电路板的输入电流测试点,第三个绝缘岛用普通导线连接到输出电压位置,都没有用传说中的特氟龙外皮导线。
我用电压源向第一个绝缘岛输入电压,然后用万用表测量电路输出电压。按照设计,输出电压应该与输入电压相反,比如3V输入电压对应-3V输出电压;实际上,这两只高阻电阻的阻值精度只有10%,输出电压和输入电压估计不会严格相反;运放本身带失调电压,电路板也会有漏电流,因此电压零点也会偏离,但基本的线性关系应该是成立的。
不幸的是,我发现万用表读数出现了非常离谱的非线性,如下图所示。更进一步检查发现,这是因为电路中出现了幅度很大的50Hz波形,其幅度超过运放的电源轨3倍以上,相当于被削顶的正弦波;当有电流输入时,削顶正弦波整体上下移动,引发了非线性的、不规则的输出直流电压。
这个削顶正弦波肯定是来自环境中的50Hz工频电流干扰,而且干扰幅度还不小(估计在30V P-P左右,没法完整测量),不得不想办法消除,不然没法测电流漏电流。可以想到的方法是接地金属壳屏蔽、低漏电电容滤波和使用低噪声环境,以下分别尝试这三种方法来处理。
电容滤波
给检流电阻并联一个电容,使交流干扰信号从电容上溜走,不参与放大过程,是最常见的抗干扰策略。这里使用20pF聚苯乙烯薄膜电容尝试滤波,按照估计,20pF电容和68GΩ电容并联,3dB滤波频率约为0.1Hz,这会显著降低电路响应带宽,但确实可以有效阻止50Hz信号进入。
测试结果如下图所示。我将旁边一根电源线拉近时,电路中出现约3V P-P的交变信号(测试时拍照范围太大,波形糊掉了。。。。);电源线放远时干扰变弱,有点像半波整流后的正弦信号,幅度大约1.5V。从这个结果来看,20pF电容将干扰信号降低了10倍以上,但干扰信号本身幅度太大,使用电容额效果并不好。特别麻烦的是,电容会降低电路带宽,待测微电流改变时,输出电压要花更长时间才能稳定下来。这个案例里差不多要10s以上,使用手感很差。
接地金属壳屏蔽
这里我借用了一套空置的金属机箱,将电路放进金属机箱内,并将机箱导电位置连接到电源的GND上,尝试用接地的金属层来阻止50Hz干扰进入电路。搭建好的电路如下图所示。
在盖上机箱的情况下,即使干扰电源线放在机箱旁边,干扰信号幅度大概是100mV P-P,算是效果很好的情况。电源线如果在电路上方绕圈,那么干扰会显著变大,测试中大概达到200mV P-P。如果掀开上盖板,干扰信号能达到2.5V P-P(电路上滤波电容为7pF),几乎失去屏蔽效果。在后续的测试中,我去掉了滤波电容,仅靠接地金属盖板也能显著降低50Hz工频干扰,效果比电容滤波要好。
干掉50Hz干扰后,漏电流测试就有可能进行了。为了测试电路漏电流,我将20pF聚苯乙烯薄膜电容换成了7pF云母电容,以加速输出电压的稳定速度。测试结果如下表所示。这次输出电压和输入电压基本是直线的关系,可以认为不受50Hz信号直接影响了(虽然残留了不少50Hz干扰)。遗憾的是,输入电压为0时,电路输出电压为0.173V,说明电路存在约0.173V÷68GΩ≈2.544pA的漏电流,这可不是什么好事。云母电容和聚苯乙烯电容都属于漏电较小的电容,是解释不了这么大的漏电量的,只能推测是保护环不够好导致的。
我在去掉云母电容的情况下又做了一次测量,结果如下图所示,跟上次的结果基本相同,说明漏电流跟电容没啥关系,估计还是保护环做的不好。另外,我还短接了检流电阻来测试运放的失调电压,该电压仅有2.5mV,远小于输入电压为0时的输出电压,这说明失调电压也跟问题无关。
无干扰环境测试
如果环境中没有50Hz干扰源,那即使电路抗干扰性能很差,输出结果仍然会是准确的。我原本尝试在公园里测试电路,但今天太阳有点大,于是改成去地下停车场测试。去了之后发现,地下停车场有一大堆空调室外机,比外面还热,于是回家关掉空调以外的电器,在房间中央做测试。这真是个悲伤的故事。
为了避免50Hz用电,我用2节12V电池给电路供电,供电线用胶带缠绕在电池电极上,再用万用表和示波器检查电路输出。输入电压没办法产生,我只好连接到电池的GND电压上,制作出无电流输入的效果。下图是我测试时拍的照片,电路在输入电压为0时的输出电压约为0.188V,环境中剩余的50Hz噪声约为300mV P-P,干扰信号几乎不影响测量。
让我费解的是,零电流输入时输出电压发生了变化,似乎暗示泄漏电流变大了,可能是测试中有杂物引出了新的导电路径。为了验证这个想法,我又改回DP832供电+接地金属壳屏蔽的结构来测试,此时输出电压变成0.15V左右,情况又反过来了。这个现象我无法理解,目前只能归结为泄漏电流不稳定,最好能从保护环设计上直接避免,其次才是斩波测量之类的二次处理策略。
这种弱电流测量必须要充分屏蔽,不管用什么供电,不然外界电容耦合来的50Hz噪声,还有非线性带来的offset会盖过一切。可以先拿铝箔包起来试试看。
另外现在用AD549去设计基本上没有优势(除了供电电压高)。 LMC662又便宜又好用, 或者ADA4530-1, 需要大输出电压/动态范围的时候参考Kelthley 617的设计再加一级。
看到了楼主的肥手。。
话说用于电离室测量的静电表本底要达到10aA水平(我记得2987A是10aA分辨率,但噪音是否能低于100aA不知)才能实用的测量环境本底,看起来DIY还是道阻且长。不过通过就近设置前放,相比通用仪器,可能难度有所降低。
屏蔽通常应就近进行,比如把微电流部分封装在模块中,采用马口铁能够提供一定的磁屏蔽(而不仅是电场屏蔽)。
看到了楼主的肥手。。话说用于电离室测量的静电表本底要达到10aA水平(我记得2987A是10aA分辨率,但噪音是否能低于100aA不知)才能实用的测量环境本底,看起来DIY还是道阻且长。不过通过就近设...
10 aA是62个电子每秒。如果按1Hz带宽计算,相当于室温下100TOhm量级电阻的热噪声,而这是0.1pF的寄生电容就会把带宽限制到0.01Hz量级,结论是室温下已经不可能用实用的用TIA架构测到。而且对于1s级别的积分时间,1 fA的漏电流带来的shot noise 就到了这个级别。
2987A号称的的10aA分辨率是没有任何实用价值,noise太高
如果有合适的电容 (PTFE? 空气? 1pF左右?)和复位开关 (特别设计的严格控制寄生电容与其变化的机械开关?),用电容积分法也许可行。
放大器可能可以用直接用ADA4530-1/OPA928或者unprotected MOSFET和运放组成hybrid。按ADA4530-1/OPA928 0.07 fA/sqrtHz的指标,大概可以通过积分25s左右来以SNR=1左右测到10 aA. discrete MOSFET的电压噪声可能是问题,也可能不是, 指标上没有,得试试看
或者viberating reed之类的exotic的方案。。。
10 aA是62个电子每秒。如果按1Hz带宽计算,相当于室温下100TOhm量级电阻的热噪声,而这是0.1pF的寄生电容就会把带宽限制到0.01Hz量级,结论是室温下已经不可能用实用的用TIA架构测到...
的确通常用于低剂量刻度基准的石墨盒空气电离室采用了电容积分,如果直接使用2987A的话,估计要10μGy/h以上才能得到较稳定的读数,自然本底状态下就全是噪音了。电容积分可能需要一些奇技淫巧,用机械开关估计很困哪,我还没研究过。
不过@TubeChip404曾经搞了一个斩波法的电离室前端,看起来可以下到aA级别,配合高压电离室应该可以直接读取本底。
要测量在10aA带宽肯定没法做到1Hz了,10aA电流的测量还是经典的两种方式:跨阻法和电容积分法。与常规的微弱电流测量不同的是,当前常见半导体器件已经不太能满足10aA电流测量的噪声或者漏电流要求了,所以在很早期的时候就有了利用机械斩波的方式来读取微弱电流在高阻或者电容上产生的电压变化,有种锁相放大器到那种相干检波的意思,用来在噪声中提取被同频调制的目标信号的电压。我之前也整理过一些相关的资料,其中我就搞到了一个常压电离室的内部电子学前端,就是使用机械斩波+跨阻法实现的:
这里面使用了4.5TΩ的跨阻,底部这个金属的圆柱内部就是机械电容斩波器,我这没拆开,但是我找了个前苏联的电容积分式超微电流计内部的机械电容斩波器的拆机图:
图片来自:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX
这个网站里面关于这个V7-45的资料还蛮详细的,有原理图和程序固件,但是苏联的电子元件找起资料来还是比较困难的。
然后回到这个电离室的微电流前端,它的电路示意图如下所示:
最后就是我使用一些现代半导体元器件设计制作的一个简易的纯固态亚aA级的微电流计,量程从100fA到500μA,下面使用10mV电压源和1T标准高阻产生10fA,测试下来rms噪声130多aA,Peak-to-Peak噪声700多aA。
从图表的正负切换的时间中可以看到为了在100G跨阻的情况下达成这个指标,也是狠狠的压了带宽。此外还有复杂的数字滤波算法运行在单片机上。
引用TubeChip404发表于6楼的内容要测量在10aA带宽肯定没法做到1Hz了,10aA电流的测量还是经典的两种方式:跨阻法和电容积分法。与常规的微弱电流测量不同的是,当前常见半导体器件已经不太能满足10aA电流测量的噪声或者漏电流要求了...
照片上看,您DIY的板子,不是基于vibration reed的?是一个固态开关的多量程电流计?
引用TubeChip404发表于6楼的内容要测量在10aA带宽肯定没法做到1Hz了,10aA电流的测量还是经典的两种方式:跨阻法和电容积分法。与常规的微弱电流测量不同的是,当前常见半导体器件已经不太能满足10aA电流测量的噪声或者漏电流要求了...
您选用的切换增益电阻的开关是什么呢?看上去像是小的固态开关?有什么能做到低漏电(开关两侧与控制侧到测量侧)么?
引用TubeChip404发表于10楼的内容只是常见的固态继电器,里面是两个背靠背的MOS,筛选漏电在1pA以下的,然后通过一些电路设计,例如自举等手段来进一步提升等效阻抗和降低漏电流,最后控制在个位数fA量级的漏电,再通过软件去校准。
感觉这部分才是关键!
固态继电器能选出漏电1pA以下的有些令人意外,我看PhotoMOS指标一般漏电流只有10nA, TIA输出1V就要求1TOhm的关断电阻了。估计自举的功劳很大,不知道offset能做到有多小。
(臆测:)现在半导体行业国产化不是火热嘛,如果熟悉这方面的技术可以去造SMU?估计能有比较多商机吧
更正:看了下PhotoMOS的典型值比想象中好很多,有些VL=max (40V) 可以到0.01 nA, Maximum才是10 nA
补充一些很奇怪的实验结果。首先,我变更了PCB板的保护环设计,用铺铜层做保护,并将开槽做在保护环内侧,电路结构如下图所示。这个结构的泄漏电流还是有2pA左右,跟之前的结果差不多。
然后我更换了测试器件,用ADA4530-1进行测试,使用的PCB结构如下图所示。这次测试的结果就很不错,输入电压为0时输出电压不超过2mV,换算成电流仅有30fA。这还包括电压测量的噪声,实际的泄漏电流应该更小,电流测量精度应该更高。
说实在的,这个结果把我搞糊涂了。目前我只能猜测跟运放封装有关,漏电或许来自TO金属罐封装的某种行为,而SOP贴片封装能避免,比如接外壳的引脚8从内侧漏电之类的。接下来我想尝试下LMC662运放,如果泄漏电流也很小,那可能就会引出"SOP封装适合做保护环,TO封装做保护环会有较大漏电"之类的奇谈怪论了。
说实在的,我不明白。。。。。。