牛人图解DIY 1pA超微电流测试器

欣之

牛人图解DIY 1pA超微电流测试器 [复制链接]

 

目录 00、前言 01、电路图及说明 02、仿真 03、准备材料、元件 04、元件布局 05、制作输入隔离岛 06、输入岛岛芯的制作 07、元件安装和焊接 08、反馈电容制作 09、安装完成 10、初步测试 11、初步采集 12、运放的说明 13、超高阻的说明 14、数据采集的说明 15、用微电流源进行测试 16、如何衡量一个微电流测试器的好坏 17、商品微电流测试仪都是怎么做的？ 18、热电动势和噪音 19、测试温度系数 20、宇宙射线？ 21、微电流测试的误区 22、学习微电流检测技术的一种方法 23、微电流测试仪有什么用？ 24、德国的微电流板分析 25、DIY 1pA的对比和总结 26、如何测试低频噪声 27、微电流下一步 28、参考书 29、参考文章/电子文档 00、前言 微电流在探索、测试、研究领域，用途广泛，是打开电子测试微观领域的一把钥匙。人类探索微观电流世界的过程从pA级到fA，再到aA，现已经进入单个电子时代。 人们往往认为，DIY一个1pA测试器是需要经历巨大挑战的。本文试图说明，通过适当的方法和传统而简单的成熟技术，不仅可以很好的解决了测试1pA的问题，同时可以把测试下限做到1fA以下，进入aA领域。 01、电路图及说明 用电池供电，微功耗设计； 电池选9V，用低压差低功耗的HT7150三端稳压成5V，自耗电<4uA； 然后用双运放的一半，把5V分成±2.5V双电源，这部分耗电<22uA； R3和R4把-2.5V分压成100mV作为标准电压，由R5=100G提供测试用的1pA标准电流。这部分耗电5uA； 最后，双运放的另一半接成经典负反馈I-V转换电路，这部分耗电16uA； 运放采用LMC6062AIN，很便宜的东西，典型Ib=10fA，典型Vos=100uV，耗电32uA； 运放也可以用LMC6042AIN，很便宜的东西，典型Ib=2fA，典型Vos=1000uV，耗电20uA； R6提供保护，不至于因偶然输入过压而导致运放损坏； R7是反馈电阻，C4是反馈电容，用于抵消输入电容的影响，提高响应时间，同时也与R7一起提供一定的时间常数。 合计耗电<47uA，一节9V充电电池（350mAh）可以使用7000多个小时。如果换用LMC6042AIN，总耗电<35uA，电池可以使用10000小时。

欣之

电路很简单，预期会很顺利，但实际上很艰难。大概是Multisim对于超高阻部分做的不好。 可以看到，仿真软件把主运放的Vos取了0.35mV，另外也肯定加入了Ib的影响，最后的输出有一点偏差，很正常。

欣之

除了个别元件比较难找外，其余都是很常见的。
特殊的元件，主要是100G的电阻。


元件细节

欣之

先裁减好万能板，主要元件排布一下。
上边是电源，右下是输入，左下是输出。

欣之

此处为关键部位，隔离岛需要高度绝缘。
采用优质BNC插座，确认绝缘部分是特富龙材料，这是常见的最好的绝缘材料，电阻率可以超过10的15次方欧姆-厘米。
不仅如此，BNC插座的外皮，要强制在地电位，这样与中心导体的电位差就很小（<1mV），这样才能保证漏电不超过0.1fA。

欣之

这部分要实现良好的机械支撑和电气绝缘，同时要尽量减少体积以免不必要的输入电容和感染，这样就直接在中心导体上焊接成四叉，分别接输入、反馈电阻Rf、反馈电容Cf、运放输入/保护电阻。

欣之

这部分没有啥特别的，常规做法。

不过也比较麻烦，断断续续焊了两个小时，刚刚完成。
标准电压源，不仅有0.1V，而且增加了10mV：



背面，尽量避免交叉：



2011-7-1 19:00补充，昨天焊完后发现两处小问题，改正后：

欣之

其实还没有焊接完成，发现运放的输出还没有接，反馈电容还没有位置，补做一个。
这个电容要求超低漏电、很小的容量，难于找到成品，只有自己做。
用外径0.55、内径0.34的特富龙单芯双绞线8cm，加密双绞。测试一下，4.7pF，可以了。

欣之

又发现一个错误，电压源的地接错了，接到了-2.5V上去。改正后，装上大部分元件后：


2011-7-1 00:52 上传

欣之

用Mengxin DIY手持6位半测试，不给予任何电流信号，即输入电流为零，只接上反馈电阻和反馈电容，零点貌似正常，不装盒时有干扰，装盒后大约为1.7mW，也就是17fA
file:///C:\DOCUME~1\ADMINI~1\LOCALS~1\Temp\TempPic\W_@93{2``K7H}@]B4G{4KHM.tmp

加上1pA内部电流后，输出大约是91.5mV，也就是915fA，正常。

欣之

仍然用Mengxin 6.5，测试时保存在内部MicroSD卡中，采集了零点和1pA信号，结果非常平稳，噪音非常小。至此，1pA超微电流测试仪DIY成功！

附：原始采集数据及图表： data1.rar (31.07 KB, 下载次数: 35)

2012-12-21 11:32 上传

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看照片，这些都是Ib超级微小的CMOS运放，由于输入级都是MOS管，因此Ib都非常小。尽管LMC6001很著名，但其用料和制作并没有什么特别的，只是出厂前进行了100%的测试，保证Ib<25fA而已。这些运放尽管Ib的指标值相差很大，但实际上相差不大，绝大多数都会低于典型值，或者Ib<10fA，因此可以基本随便选用，使用前测试一下，个别的淘汰即可。我主推LMC6042A和LMC6062A的原因，就是低耗电。
Ib小，电流噪音就自然小。这些运放的电流噪音的指标都低于0.2fA/√Hz。
Ib小，受温度系数的影响就小。因此，超微电流测试，Ib是首要选择目标。
价格上，LMC6001A贵一些，其它都很便宜，尤其是图中的下面两款，很容易买到。



其它的常用运放，还有一些金封的，例如ICH8500A、AD549LH、OPA128LM：


不过，根据国半，金封的Ib反而不如塑封的好，再由于价格贵，不推荐。

欣之

照片为我自己的测试过的所有100G的电阻。
A. 国产的100G真空电阻，有一定的电压系数，但低压下表现尚可，温漂也凑合。如果手头正好有这种电阻，可以用在此处的超微电流测试仪里。
B. 新近国产100G，红色漆皮，但表现很好。温度系数大约0.14%/C，电压系数很小，低压下表现也非常好。
C. 日本FINECHEM的 RH2HVS，误差只有1%（F），高压下（10V～1000V）表现也非常好，但就是低压下表现很差，介质吸收严重，一旦加压（例如开机时的5V）则难于恢复，会在很长一段时间内表现出开路有输出电压，电荷释放时间比较长。
D. 国产的片状电阻，名义上是RI80，也许是小厂的产品，非常垃圾的东西，电压系数超大，10V和100V下电阻能相差2倍以上，<1V下几乎要开路（电阻>10T），其表现类似一个稳压管，因此绝对不可以用在此处。另外，该电阻的极化存储现象也很严重。



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（比如不能搞低温恒温）、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）。吉时利往往被公认为是国际微电流测试最高水平，其目前仍然是保持记录的静电计K642，里面的反馈电阻最大用到了12次方（1T），这与其0.08fArms的电流噪音指标是吻合的。理论上，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，如下图绿圈所示。因此可以看到，单从噪音从这一点看我们就需要超高阻。

（本图来自吉时利低电平测试手册，并做了延伸）


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，不想用高阻。的确，内阻高则噪音大，但噪音是与内阻的半次方成正比的，量程、增益是与内阻的1次方成正比的，算下来还是需要选择高阻。无论是信号源的内阻，还是运放的反馈电阻，均受此规律制约。

欣之

数据采集，就是把微电流测试器的电压输出信号，转变成数字数据保存起来。
简单一点的采集，要用到ADC，可以DIY，也有各种现成的采集卡、USB采集器可以买到。
但更方便的，是利用带有计算机接口的商品万用表。我最早用UNI-T的UT71，4位半表，具有RS232接口，带有程序；后来用Fluke 289，需要用FlukeView；在基准测试中，我一般用3458A加上GPIB卡，灵活、准确而功能强大。但在这里，我用了Mengxin DIY的手持6位半万用表，这表除了具有高精度、高分辨的特性外，还带有内置MicroSD写卡器，这样在采集的过程中不仅不需要交流供电，还可以脱离计算机，避免干扰。采集的数据为csv格式（逗号分隔文本）。


数据能够采集下来，不仅可以长期无损保存，更可以后续做曲线、进行各种分析。
我喜欢用Excel，在保存数据的同时，可以方便的求出平均值、最大最小值、标准差、阿伦方差等，更主要的，还可以作图。

欣之

有人会问，自己DIY的微电流仪准吗？误差如何？如何校准？
这个么，我这里正好有个WD-1直流微电流源，输出范围是0.01pA到110uA。



先装好输入BNC插座



用这个WD-1输出1pA对DIY微电流仪进行测试，同时采集：



从表的读数就可以看到，这次比较准了。开始不太准的原因是用的两个100G的电阻，一个偏大另一个偏小。现在这个Rf是找了一个合适的换上去的。

目前正在测试中，测完后我贴出结果。


更新，结果出来了，出奇的好。
由于该微电流测试器只有一级，是反向的，因此正电流输入后读数为负。刚才测试的时候把WD-1的输出极性开关放到“-”的位置，输出就为正了。
1pA曲线平直、噪音很低。选取最好的100个数计算标准差，为0.28fA，这可以认为就是有效值噪音。同样，选取100个计算峰峰值，仅为1.3fA。从灵敏度看，按噪音有效值的2倍计算，为0.6fA。



100fA的结果类似，直观看一下曲线：

标准差0.30fA，峰峰值1.38fA

那么，如何认定该测试仪的测试100fA的“精度”呢？是2.5%？还是什么别的？
无论如何，可以把这个叫做100fA测试器也是可以的。

至于为什么测试1pA还比100fA好一点，不得而知，也许是偶然的。无论如何，1pA和100fA的短期稳定性和重复性相近。用Cf=5pF、Rf=100G带入理论计算公式计算一下，得到电流噪音的理论值是0.29fArms，峰峰值是1.44fA，可以看到，我的测试已经达到了噪音理论值！要想再好是不可能的了，除非继续增大反馈电阻。    data2.rar (45.51 KB, 下载次数: 17)

2012-12-21 11:46 上传

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欣之

有人会说，那还不容易，用精度，或者准确度。
实际不然，计量界早不这么用了，人家用不确定度。
不确定度中包含了重复性、偏差，加上其它的，我这里罗列一下：
A、稳定性
稳定是准确的基础，没有稳定性就谈不上精确。比如今天测试一个值，明天测试变了，那还有精度可言吗？或者说，连续测试10次的结果变动很大，又如何准确测试？
因此，测试器最重要的就是稳定性，表现在指针表不晃动，数字表的末位不跳动。
具体一点说，稳定性可以分为短期稳定性（短稳）和中长期稳定性。短稳主要由噪音和干扰决定，也可以认为是测试的重复性，可以由噪音的真有效值（rms值）表示，或者由变动的峰峰值表示，计算时可以用标准差，或者更精确一些用阿伦方差（Excel均支持）。以前手工计算一般只取10个连续的测试值计算，用计算机采集后一般取100个连续值。峰峰值计算比较粗糙但很方便，一般是真有效值的5倍或6倍。
中期稳定性一般由温度变化引起，长期稳定性一般由元件的老化引起，可以表示为每年变动百分之多少。
B、温度变化情况，或者叫温度系数。以每度变化百分之多少来衡量。对于I-V法的微弱电流测试仪，如果漏电能控制的很好，则温度系数主要由反馈电阻决定的。因此，若想减少温度的影响，那就要选择温度系数小的Rf。超高阻的温漂一般比较大，要求高的可以选择氧化钌材料的高阻。另外，运放的Ib如果比较大，也会引起温漂。Vos的温漂对整体性能贡献不大。
C、最小分辨。对于指针表，是指最小档的最小刻度；对于数字表，一般是最灵敏量程的最末位数字代表的值。如果噪音太大，那么最小分辨往往没有意义。试想一下，一个数字表在最灵敏的量程下，末位两个数字总在因为噪音的原因在跳动，那最小分辨还有什么意思呢？谁还会去看最后一个数字？
D、灵敏度。灵敏度是度量一个微弱电流计的重要指标，可以认为，灵敏度为仪器能够分辨的输入改变的最小值，再小的输入信号会被噪音淹没，因此一般可以取噪音有效值的2倍。由于噪音的峰峰值大体上为噪音有效值的5倍，因此灵敏度也大体上等于噪音峰峰值的一半。

E、偏差。这个指标其实关系不大，有偏差校准一下就可以，或者知道了偏离多少，纠正一下即可。现在测试仪大多数字化了，数字零点改正、数字比例纠正是很容易的事情。

微电流测试器的校准，可以通过刚才的类似WD-1的微电流源进行，也可以用标准电压和标准高阻来进行。例如Keithley 6517的校准就是这样的。标准电压可以提供到非常好，例如Fluke 732B，可以精确的提供10V和1.018V电压。高阻标准电阻，例如采用成品的BZ17超高阻标准电阻。

欣之

610C，模拟的，最小量程达到0.01pA，输入级就是采用经典的I-V法，当然没用运放，用的是MOS管等分立元件。反馈电阻最大100G，因此可以预测，其电流噪音低不过0.29fA的理论极限。
输入部分，手动旋转开关，可以看到开关的特富龙绝缘、几个高阻（100M、1G、10G、100G）。








617，数字的，这个表我也有，前级也是I-V法，反馈电阻最大也是100G。
电路图我就不上了，网上都可以查到，内部图前面有一张，这里上一个局部的：


6517，这个是617的改进型，性能其实与617差不多，与617类似，输入岛接了很多继电器，而继电器是干簧管的，外边套的特富龙套管：


642，这款虽老，但据我所知其测试记录一直没有被打破，只有自家的6430与之齐平。究其原因，除了各种措施完备外，与其内部采用了空前的1T电阻有直接关系：


还有一个老HP的，这款尽管最小量程2pA，但也是高阻仪，我用起来非常方便，调制型的，零点非常准，无需调零（其实就没有）。


如果真对静电仪感兴趣，建议下载并研读这些老仪器的手册，里面电路图、原理介绍都有。

补充，日本人写的《测量电子电路设计模拟篇》，第51页对这种I-V转换法弱电流计的输入结构有详细的描述：

欣之

有人会问，微小信号放大不是要特别注意热电动势的影响吗？为什么在你的制作和测试中只字未提？
热电动势其实主要是在微小电压放大时才需要考虑的，而这里是微小电流放大。
即便是10G的内阻，在带宽B=1Hz下热噪音电压的有效值本身就达到了13uV，100G的噪音就更大了，这足以掩盖任何常见的热电动势了，只要用常规做法即可，无需特别处理。同样，其它噪音或干扰电压，如果都是微伏级别的，也无需特别考虑。由于高阻的采用容忍了更高的电压噪音，因此运放的Vos也变得不那么重要了，只要不大于1mV，温漂不大于10uV/℃即可，容易满足。
事实上，只要做好外壳屏蔽，在几天的测试过程中，没有发现更多的异常现象。
倒是经常性的有一些脉冲干扰，整体装入厚重的铝箱内也不能避免，怀疑是宇宙射线引起的。

欣之

把微电流测试器放入冷热箱，输入100fA，改变温度，看输出的变化。


这是一种有别于三点恒温测试温度系数的方法，是记录全过程的变温测试方法，曾经用在标准电阻的温度系数测试中，效果良好，是所谓的“全息”测试法，因为把整个测试过程中的温度中间值和输出值全部记录了、全部利用，因此排除了偶然读数误差，大量的数据共同对温度系数做加权输出。
下面的曲线，是100fA测试值与温度随时间变化的情况，温度的改变是通过调节冷热箱的电压值手工调节的。可以直观的看出，测试值随温度变化不大，但11点附近有个峰值出现，不知道是什么原因，也许是冷热箱因冷却而结露或蒸发，造成漏电的变化所导致。


以下曲线是温度-电流分布图，红色线为线性回归（最小二乘法逼近线），红字为此线的公式，因此可以得到，该测试器在此种情况下的温度系数为+0.06%/℃。

欣之

在测试的过程中，偶尔发现无规则的脉冲干扰，换了不少运放、换了不同的高阻，现象照旧。增加了很厚的接地金属防护也毫无作用，不像是常规的干扰，因此怀疑是宇宙射线。 宇宙射线是一些来自地球之外的高能粒子辐射，贯穿能力特别强，需要深入地下几千米才能排除其影响，因此在地面上传统的铅板等防护措施基本无用。 EDN在“挑战毫微安电流测量技术”中，提到了宇宙射线对积分法测试的影响，而恰巧我用积分法测试LMC6062A的Ib时也发现了类似的电压突变： 那么如何判断是宇宙射线而不是内部干扰所导致呢？只好再做一套同样的系统，两套独立的系统同时采集。如果得到的曲线上，在相同的位置出现类似的干扰，那至少可以判断干扰来自外部。而如果这两套系统均采用电池供电、相隔一段距离、良好屏蔽，如果仍然出现同时间干扰，那基本上可以判断是宇宙射线了。 结果出来了，两个同时测试的曲线，尖峰干扰的部分基本没有对得上的，因此排除是宇宙射线的干扰。