毫微安電流測量技術(shù)面臨的挑戰與設計方案

　　對小電流的測量非常微妙。巧妙的模擬設計技術(shù)、正確的器件和設備都有助于測量。

　　要 點(diǎn)

　　小電流的測量面臨物理限制與噪聲限制。

　　早期的機械電表可分辨毫微微安級電流。

　　JFET和CMOS放大器適用于測量。

　　要測量毫微微安級電流，需要將電流積分到一只電容器中。

　　積分器件可以測量毫微微安級電流，并提供 20位輸出。

　　幾千種應用都需要測試小電流的電路，最常見(jiàn)的是測量二極管受光照射所產(chǎn)生的光電電流。一些科學(xué)應用（如 CT 掃描儀、氣相色譜儀、光電倍增管與粒子和波束監控等）都需要小電流的測量。除了這些直接應用以外，半導體、傳感器甚至電線(xiàn)的制造商都必須測量極小電流，以確定器件的特性。泄漏電流、絕緣電阻以及其它參數的測量都需要一致、精確的測量，以便建立數據表規格

　　但很少有工程師明白，一只器件的數據表是一份契約文件。它規定了器件的性能，對器件運行的任何異議都要歸結到數據表的規格上。最近，一家大型模擬 IC 公司的客戶(hù)威脅要對制造商采取法律行動(dòng)，稱(chēng)他所購買(mǎi)的器件的工作電流遠遠高于該公司規定的亞微安等級。事件的最終原因是：雖然該 PCB（印制電路板）裝配廠(chǎng)正確清洗了電路板，但裝配人員用手拿 PCB 板時(shí)，在關(guān)鍵節點(diǎn)上留下了指紋。由于可以測量這些微小的電流，半導體公司就可以證明自己的器件工作正常，泄漏電流來(lái)自于臟污的 PCB。

　　測量小電流的困難來(lái)自于對測量的各種干擾。本文將討論兩個(gè)實(shí)驗板電路，這些電路必須處理表面泄漏、放大器偏置電流引起的誤差，甚至宇宙射線(xiàn)等問(wèn)題。與大多數電路一樣，EMI（電磁輻射）或 RFI（射頻干擾）都會(huì )帶來(lái)誤差，但在這種低水平上，即使靜電耦合也會(huì )帶來(lái)問(wèn)題。當要測量的電流小到毫微微安范圍時(shí)，電路容易遭受更多干擾的影響。濕度會(huì )改變電容的數值，造成較大的表面泄漏；振動(dòng)會(huì )在電路中產(chǎn)生壓電效應；即使是室內風(fēng)扇引起的微小溫度改變也會(huì )在 PCB 上形成溫度梯度，造成虛假讀數；室內光線(xiàn)也會(huì )降低測量的精度，熒光燈的光線(xiàn)會(huì )進(jìn)入一支檢測二極管的透明端，造成干擾（參考文獻1）。

　　如果要確定晶體振蕩器的性能，則需要精確測量小電流。Linear Technology 的科學(xué)家，同時(shí)也是EDN的長(cháng)期撰稿人Jim Williams演示了他為一個(gè)客戶(hù)設計的一款電路，該客戶(hù)需要測量一個(gè)32kHz手表晶體的均方根（rms）電流（圖1）。這種測量的一個(gè)難點(diǎn)在于，即使一個(gè)FET探頭的1pF電容也會(huì )影響到晶體的振蕩。確切地說(shuō)，電流測量的目標之一是為每個(gè)晶振確定所使用低值電容器的大小。這種測量的進(jìn)一步的困難是必須在32kHz下準確地實(shí)時(shí)測量，這就排除了使用積分電容器的可能。這種信號是一種復雜的交流信號，系統設計者必須將其轉換為rms（均方根）值才能作評估。

　　Williams稱(chēng)：“石英晶體的rms工作電流對長(cháng)期穩定性、溫度系數和可靠性都很重要?！彼f(shuō)，小型化需求會(huì )帶來(lái)寄生問(wèn)題，尤其是電容，使rms 晶體電流的精確檢測更加復雜，特別是對微功率類(lèi)型的晶體。他解釋說(shuō)，采用圖2中的高增益低噪聲放大器，結合一只商品化的閉合磁芯電流探頭就可以測量，一個(gè)rms-dc轉換器就可提供rms值。圖中虛線(xiàn)表示石英晶體的測試電路，它示范了一個(gè)典型的測量情況。Williams使用 Tektronix CT-1電流探頭來(lái)監控晶體電流，它只產(chǎn)生極小的寄生負載。同軸電纜將探頭的50Ω饋送至A1，A1 和A2得到1120的閉環(huán)增益，高于標稱(chēng)1000的額外增益，用于校正在32.768 kHz下CT-1 的 12% 低頻增益誤差。