超微电流检测.doc

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.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、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，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.jpg7、HP自己测试其4561图片: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。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.jpgb、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。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.gif1E+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1pA0.5%=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Vos=0.5mV、Ib=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.gif1pA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。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。图片: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。图片: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）：图片:NSC-Ib.JPG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。图片:030.jpg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。图片:033.jpg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：图片:034.jpg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：图片:018.jpg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：图片:617n.jpg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。图片:020.jpg图片:021.jpg图片:022.jpg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。图片:023.jpg图片:024.jpg3、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。图片:power.gif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。图片:P1090048s.jpg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。图片:031.jpg图片:032.jpg4、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。图片:051.jpg图片:041s.jpg图片:P1090058s.jpg5、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。图片:gra1.gif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。图片:23.gif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：图片:22a.gif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。图片:31.gif图片:32.gif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。图片:61.gif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。图片:33.gif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：图片:leak1.gif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。十、改进与应用1、运放的改换运放是关键元件，尤其是不同型号，甚至是同型号、同批次的，差异都巨大。例如有的Ib大，也有的Ib远小于典型值。因此，通过测试，选出合适的运放，就能得到更好的性能。首先初选，方法是零点测试，淘汰不稳定者。由于Rf=100G，因此10fA就相当于1mV，所以偏离零点的原因可能是Ib，也可能是Vos。不稳定的原因，有可能是Ib变动或者Vos变动，也有可能是表面泄露。无论如何，零点不稳定的运放是不能用的。图片:6042.gif这个测试的运放主要由二手LMC6042AIN构成，包含LMC6062和LMC662。从结果可以看到，不同运放的零点短稳差异不大，而且都在1fApp多一些，都很理想，因此运放无需多选。另外，这一结果也说明电阻是关键器件，用100G太小。其中缓慢变化的原因，可能是Ib或者Vos变化，也更可能是泄露电阻尤其是表面泄露的影响。增加插座和输出转换，测试单运放LMC6001A。原来的双运放保持不动，其实一半仍然具有分压作用，另一半可以空闲。2、改善反馈首先，Rf=100G下的测试已经达到了理论极限。若要继续提高分辨，除了加大测试时间外，必须增大反馈电阻（同时也增大电流源内阻）。目前看，比较现实的是1T，这样就可以把理论噪音水平降低到1/3，分辨极限也会相应提高，才能有望在真实分辨上取得0.5fA，即进入aA水平。另外，加大反馈电阻，可以成比例的提高输出，因此降低Vos及其漂移的影响。当Rf=100G时，Ib=5fA和Vos=0.5mV对输出的影响是相等的。如果把Rf改成1T，那么由于5fA的输出增大为5mV，因此Vos=0.5mV的影响就只有1/10了。这样，大的Rf更适合Ib更小的场合，例如2fA、1fA。当Rf增大后，Cf要同时改变，但一般可以加大时间常数，这样可以推进理论极限，当然要在测试更微弱的电流下忍受较长时间的响应时间。本来下一个Rf的目标是1T，但无奈现有的两只1T进口电阻表现很差，因此不得不采用5只国产100G电阻串联的办法，进行测试。图片:P1090146s.jpg图片:Rf.gif结果表明，100G的由于相对小，因此噪音大。500G的噪音小多了，局部具有不到0.5fApp的表现，阿伦方差低达0.1fA以下。实际上，采用Rf=1T的场合下，阿伦方差不大于0.05fA