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。

1. 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。

1. 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。

1. 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。