挑戰毫微安小電流測量技術(shù)

　　增益級采用兩只低噪聲放大器，可以用LMV751，也可以用一種斬波放大器，如LM2011。Grohe將經(jīng)過(guò)增益提升的信號傳送給一臺數字示波器，示波器記錄數據，并減去測試運行時(shí)獲得的校正斜率，從而給出一個(gè)有效的測量值。Grohe使用了兩只LS123型單觸發(fā)電路，一個(gè)用于觸發(fā)繼電器，另一個(gè)提供一個(gè)適當而可重復的時(shí)間延遲，用于觸發(fā)數字示波器。

　　Grohe還知道好的低噪聲設計原則亦涉及到器件的電源，因此，他不用積分器和DUT使用的同一電源為繼電器或數字電路供電。他用了一些固定和可變穩壓器，為DUT和積分器提供±5V，為繼電器驅動(dòng)電路提供8V，為數字電路提供一個(gè)獨立的5V。

　　Grohe用這個(gè)電路能夠很容易地解析1f

A電流，他發(fā)現所測試的多數LMC6001器件的偏置電流均小于5 fA，遠遠大于規定的數值。他以這款實(shí)驗電路板為基礎，制作了一個(gè)安裝在標準探測卡上的測試電路。（有關(guān)這一設計的更多信息見(jiàn)參考文獻 4、參考文獻 5 和參考文獻 6，包括一個(gè)系統視頻。）

　　Grohe不會(huì )用這個(gè)電路在自己的實(shí)驗室中測量毫微微安級電流。他說(shuō)：“我推薦用Keithley2400靜電計。我們已經(jīng)用該儀器測試了制造中的 LMC6001，工廠(chǎng)允許我們使用外部測試設備?！盞eithley 確實(shí)值得他投入信心。該公司在其網(wǎng)站上免費提供有關(guān)測量微微微安電流的出色文檔（參考文獻 7），以及一本有關(guān)精密測量的書(shū)籍（參考文獻 8）。

　　DDC112

　　Grohe和Pease的積分方案并不限于實(shí)驗室的計劃。德州儀器公司(TI)創(chuàng )建了一系列部件，可用于毫微微安范圍的測量，并提供一個(gè)可利用的數字輸出。該系列包括一個(gè)單通道DDC101 以及提高了靈敏度的雙通道DDC112，它使用外部積分電容器。四通道DDC114和八通道的DDC118的電荷靈敏度為12pC（參考文獻9）。這些20位部件的采樣速率達3kHz。

　　你必須具備嘗試這些測量的物理認識。如果DDC112可以測量12 pC的電荷，并且你希望測量12pA電流，則需要將積分時(shí)間設為1秒，這是DDC114的最大允許值。如果器件的積分間隔是一整秒，則不可能獲得一個(gè) 3 kHz 的刷新速率。但是，按這種方式配置的器件可在轉換結束時(shí)產(chǎn)生一個(gè) 20位的值。換句話(huà)說(shuō)，DDC（直接數字變換器）可以解析毫微微安級電流，盡管精確度降低了。器件的輸入偏置為20fA，但你的系統軟件可以校準這個(gè)值，所以，器件仍應該能夠解析非常低的水平。記住，這種類(lèi)型靈敏度很難做到只在出廠(chǎng)時(shí)校正一次系統，然后就可以一直工作下去。隨著(zhù)溫度的增加，偏置電流也增加，每 10℃加倍，并且泄漏以及傳感器漂移也在電路板上增長(cháng)起來(lái)。當測試毫微微安級電流時(shí)，采用上電時(shí)現場(chǎng)校正或更頻繁的校正方法總是一個(gè)好主意。德州儀器公司為這些器件提供了評估板，你可以在數小時(shí)內就搭建并運行起來(lái)，對那些即使對最好的手持數字電壓表也太小的電流作測量（圖 10）。

　　TI的過(guò)采樣轉換器系列產(chǎn)品經(jīng)理以及該器件所用技術(shù)的專(zhuān)利擁有者 Jim Todsen 說(shuō)，DDC 系列的開(kāi)發(fā)開(kāi)始于 Burr-Brown ACF2101，這是一個(gè)雙切換積分器前端，它為電流/電壓轉換功能提供了一個(gè)單芯片選擇。Todsen 解釋說(shuō)，雙積分器的好處是它總能采集到輸入電流。當一個(gè)積分器在采樣輸入時(shí)，另一個(gè)將其積分值送給 ADC，這個(gè)過(guò)程不斷持續，長(cháng)到你需要測量的整個(gè)階段。他說(shuō)：“當 ACF2101 將輸入電流轉換為電壓后，一只分立的高分辨率 ADC 對其作數字化。DDC112 將 ACF2101 的電流/電壓功能與高分辨 ADC 的數字化做到了一只芯片中?！彼麑⑦@一進(jìn)步歸功于晶圓工藝的發(fā)展，從而能夠實(shí)現高水平的混合信號集成，同時(shí)也由于 TI 高速△-∑核的發(fā)展，該核能夠提供測量前端信號所需的速度和分辨率。他提到：“除此以外，我們還有將所有電路元件置于控制之下的優(yōu)點(diǎn)，對極低泄漏輸入優(yōu)化，以及在長(cháng)積分周期中極穩定的性能?！?