挑戰(zhàn)毫微安電流測(cè)量技術(shù)

對(duì)小電流的測(cè)量非常微妙。巧妙的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)、正確的器件和設(shè)備都有助于測(cè)量。

要 點(diǎn)

小電流的測(cè)量面臨物理限制與噪聲限制。

早期的機(jī)械電表可分辨毫微微安級(jí)電流。

JFET和CMOS放大器適用于測(cè)量。

要測(cè)量毫微微安級(jí)電流，需要將電流積分到一只電容器中。

積分器件可以測(cè)量毫微微安級(jí)電流，并提供 20位輸出。

幾千種應(yīng)用都需要測(cè)試小電流的電路，最常見(jiàn)的是測(cè)量二極管受光照射所產(chǎn)生的光電電流。一些科學(xué)應(yīng)用(如 CT 掃描儀、氣相色譜儀、光電倍增管與粒子和波束監(jiān)控等)都需要小電流的測(cè)量。除了這些直接應(yīng)用以外，半導(dǎo)體、傳感器甚至電線的制造商都必須測(cè)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(shù)的測(cè)量都需要一致、精確的測(cè)量，以便建立數(shù)據(jù)表規(guī)格

但很少有工程師明白，一只器件的數(shù)據(jù)表是一份契約文件。它規(guī)定了器件的性能，對(duì)器件運(yùn)行的任何異議都要?dú)w結(jié)到數(shù)據(jù)表的規(guī)格上。最近，一家大型模擬 IC 公司的客戶(hù)威脅要對(duì)制造商采取法律行動(dòng)，稱(chēng)他所購(gòu)買(mǎi)的器件的工作電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該公司規(guī)定的亞微安等級(jí)。事件的最終原因是：雖然該 PCB(印制電路板)裝配廠正確清洗了電路板，但裝配人員用手拿 PCB 板時(shí)，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上留下了指紋。由于可以測(cè)量這些微小的電流，半導(dǎo)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(cè)量小電流的困難來(lái)自于對(duì)測(cè)量的各種干擾。本文將討論兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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，甚至宇宙射線等問(wèn)題。與大多數(shù)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(dāng)要測(cè)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(shù)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(yīng);即使是室內(nèi)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(shù);室內(nèi)光線也會(huì)降低測(cè)量的精度，熒光燈的光線會(huì)進(jìn)入一支檢測(cè)二極管的透明端，造成干擾(參考文獻(xiàn)1)。

如果要確定晶體振蕩器的性能，則需要精確測(cè)量小電流。Linear Technology 的科學(xué)家，同時(shí)也是EDN的長(zhǎng)期撰稿人Jim Williams演示了他為一個(gè)客戶(hù)設(shè)計(jì)的一款電路，該客戶(hù)需要測(cè)量一個(gè)32kHz手表晶體的均方根(rms)電流(圖1)。這種測(cè)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(cè)量的目標(biāo)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(cè)量的進(jìn)一步的困難是必須在32kHz下準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)測(cè)量，這就排除了使用積分電容器的可能。這種信號(hào)是一種復(fù)雜的交流信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須將其轉(zhuǎn)換為rms(均方根)值才能作評(píng)估。

Williams稱(chēng)：“石英晶體的rms工作電流對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度系數(shù)和可靠性都很重要。”他說(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(cè)更加復(fù)雜，特別是對(duì)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(jié)合一只商品化的閉合磁芯電流探頭就可以測(cè)量，一個(gè)rms-dc轉(zhuǎn)換器就可提供rms值。圖中虛線表示石英晶體的測(cè)試電路，它示范了一個(gè)典型的測(cè)量情況。Williams使用 Tektronix CT-1電流探頭來(lái)監(jiān)控晶體電流，它只產(chǎn)生極小的寄生負(fù)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(biāo)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。

Williams通過(guò)Tektronix CT-1的七個(gè)采樣組，研究了這種增益誤差校正對(duì)一個(gè)正弦頻率(32.768kHz)的有效性。他報(bào)告說(shuō)，對(duì)一個(gè)1mA、32.768kHz 的正弦波輸入電流，該器件的輸出全部都在 12% 的 0.5% 以?xún)?nèi)。盡管這些結(jié)果看似支持這種測(cè)量方案，Williams 仍認(rèn)為值得說(shuō)明一件事，即結(jié)果來(lái)自 Tektronix 的測(cè)量。他說(shuō)：“Tektronix 并未保證低于所規(guī)定 -3dB、25kHz 低頻滾降時(shí)的性能。A3 和A4提供的增益為200，因此放大器總增益為224,000。這個(gè)數(shù)字在A4產(chǎn)生一個(gè)針對(duì)CT-1輸出的1V/mA比例因子。A4的 LTC1563-2 32.7 kHz 帶通濾波輸出通過(guò)一個(gè)以 LTC1968 為基礎(chǔ)的rms-dc轉(zhuǎn)換器送給A5，該rms-dc轉(zhuǎn)換器提供電路的輸出。”Williams 解釋說(shuō)，信號(hào)處理路徑組成一個(gè)頻帶極窄的放大器，該放大器調(diào)諧到晶體的頻率。圖3畫(huà)出典型的電路波形。據(jù) Williams說(shuō)，該晶體在C1的輸出端驅(qū)動(dòng)(上跡線)，產(chǎn)生一個(gè)530nA的rms晶體電流，分別顯示為A4的輸出(中間跡線)和rms-dc轉(zhuǎn)換器輸入(下跡線)。他說(shuō)：“中間跡線可看到尖峰，這是來(lái)自與晶體并聯(lián)寄生路徑的未過(guò)濾成份。”

從Williams的電路中可以看到，即使采用積分技術(shù)，要測(cè)量毫微安電流仍很困難。這個(gè)問(wèn)題非常困難，因?yàn)闇y(cè)量者必須實(shí)時(shí)完成測(cè)量。還有更多復(fù)雜因素，如這種交流測(cè)量需要 32 kHz 的帶寬來(lái)捕捉示波器電流波形中的大量能量。Williams 用一只傳感器來(lái)解決這些問(wèn)題。Tektronix CT-1 傳感器(參考文獻(xiàn) 2)價(jià)格高達(dá) 500 美元，但如果沒(méi)有好的傳感器，Williams 就不能從各種噪聲中恢復(fù)出信號(hào)。除了有好的靈敏度以外，CT-1 有 50Ω 的輸出阻抗，與高阻抗輸出相比可獲得較低的噪聲信號(hào)路徑。本例證明的另一個(gè)重要原則是，限制信號(hào)路徑的帶寬十分重要。Williams 做了一個(gè)窄帶放大器鏈，去除了不感興趣頻率部分帶來(lái)的所有噪聲。最后，Williams 在電路中采用了良好的低噪聲設(shè)計(jì)原則。將重要節(jié)點(diǎn)架空連接，盡量減少泄漏路徑，而在 50Ω 的源阻抗下，LT1028 可能是所有制造商中提供的噪聲最低的一種放大器。

毫微微安的偏置電流

Paul Grohe 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的一位應(yīng)用工程師，他提供了另一個(gè)測(cè)量微小電流的出色案例。數(shù)年前，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司決定銷(xiāo)售 LMC6001，這是一款保證 25 fA 偏置電流的放大器，這意味著該公司需要測(cè)量每只器件的偏置電流來(lái)驗(yàn)證規(guī)格。測(cè)試部門(mén)無(wú)法在計(jì)劃階段提供測(cè)試設(shè)備，所有電路必須裝到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)卡上。Grohe和同事Bob Pease建造了一個(gè)用于概念驗(yàn)證的裝置，以證實(shí)解析低達(dá)1fA小型測(cè)試電路的可行性(圖4)。很多書(shū)籍與討論中都采用一只積分電容器來(lái)測(cè)量小電流(參考文獻(xiàn)3)。它的原理是，一個(gè)小電流可以為一只小電容器充電，你可以讀出電壓值來(lái)推算電流。在某些情況下，電流是來(lái)自傳感器的外部電流。此時(shí)，電流正離開(kāi)放大器的輸入腳。圖 5 是一個(gè)簡(jiǎn)單的原理電路，其中的放大器正在測(cè)量自己的偏置電流。

測(cè)量小電流的現(xiàn)實(shí)情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)圖中所表述的內(nèi)容。首先，Grohe 不能用器件本身測(cè)量自己的偏置電流。如果他嘗試將器件自身用作積分器，則無(wú)法校正一個(gè)插座的效應(yīng)，以及與測(cè)試裝置有關(guān)的其它泄漏。要做到這一點(diǎn)，需要一個(gè)單獨(dú)的低偏置電流器件作積分器(圖 6)。用一只 CMOS 的 LMC660 放大器即可保證偏置電流小于 2 fA。Grohe 用這種技術(shù)可以簡(jiǎn)單地去除任何 DUT(待測(cè)器件)，而積分器就可以測(cè)量自己的偏置電流，以及測(cè)試插座和安裝積分器的PCB的泄漏電流。

圖7表明，Grohe并未將DUT插入插座內(nèi)，所有管腳均未與PCB接觸。為盡量減小泄漏，Grohe只將兩只電源腳作為長(zhǎng)而獨(dú)立的插座，而且并未安裝在PCB上。同樣，他將待測(cè)管腳連接到一個(gè)插座和一個(gè)2英寸懸置線上，并將管腳/插座組合連接到積分放大器的輸入端。為防止DUT運(yùn)行在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，Grohe將兩個(gè)插座焊在一起，將空中懸浮的輸出腳橋接起來(lái)。空氣的流動(dòng)會(huì)帶來(lái)充電的離子，造成虛假讀數(shù)，因此Grohe將整個(gè) DUT 封裝在一個(gè)屏蔽的覆銅盒內(nèi)。

下一個(gè)問(wèn)題是選擇一個(gè)積分電容器。開(kāi)始時(shí)，Grohe 感覺(jué)最佳的電容器選擇可能是空氣介質(zhì)電容器，因此他做了兩塊尺寸為4英寸×5英寸的大平板，用作積分電容器。這個(gè)電容器的尺寸正好是安裝 DUT 的第二個(gè)覆銅盒的大小。采用大電容器被證明是一個(gè)壞主意。大面積區(qū)域?yàn)橛钪嫔渚€提供了一個(gè)大目標(biāo)，產(chǎn)生出能影響測(cè)量的離子電荷(圖 8)。Grohe 接下來(lái)盡量減小了電容器的尺寸，同時(shí)仍然使用一種良好的電介質(zhì)。他偶然發(fā)現(xiàn) RG188 同軸電纜使用了 Teflon 絕緣層。2 英寸長(zhǎng)的這種電纜可為積分電容器提供10 pF 的電容(圖 9)。另外它還有一個(gè)好處，外層的編織帶可以作為屏蔽。于是，Grohe 將其連接到放大器的低阻抗輸出端。換用這種電容器后，宇宙射線的密度只有每30秒左右一次。Grohe做15秒的積分測(cè)量，通過(guò)五次測(cè)量來(lái)消除射線的影響。后來(lái)，Grohe拋棄了單次測(cè)量。任何離子輻射源(包括有鐳刻度盤(pán)的老式手表)都會(huì)帶來(lái)射線輻射問(wèn)題。注意Grohe將放大器的輸入端撬起，以避免PCB的泄漏。

在測(cè)量前，你需要將積分電容器復(fù)位為零。用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槎鄶?shù)模擬開(kāi)關(guān)都會(huì)帶來(lái)泄漏電流和5pF ~ 20pF的電容。電容也會(huì)有變?nèi)菪?yīng)，容值隨施加的電壓而變化，使測(cè)量更加復(fù)雜化。為盡量減少這些問(wèn)題，Grohe使用了一只Coto簧片繼電器。他知道在繼電器打開(kāi)時(shí)，線圈可能與內(nèi)部簧片耦合，于是他規(guī)定使用有靜電屏蔽的繼電器。但結(jié)果讓他沮喪，當(dāng)繼電器由于電荷注入而打開(kāi)時(shí)，測(cè)量中仍然有大的跳躍。你也可以將一只簧片繼電器看作一個(gè)變壓器，簧片組件可看作一個(gè)單匝繞組。這種現(xiàn)象表明，用靜電屏蔽防止干擾是失敗的，磁場(chǎng)在電路高阻抗端產(chǎn)生的電壓造成了電荷注入。繼電器沒(méi)有立即打開(kāi)，需要為線圈充電的脈沖在繼電器打開(kāi)前的瞬間產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的電流注入。Grohe確定了使繼電器工作所需的最小絕對(duì)電壓擺幅，盡可能地減少了這種問(wèn)題。這樣，繼電器將會(huì)以3.2V拉入，而以2.7V釋放。他在一只 LM317 可調(diào)穩(wěn)壓器上使用一組電阻分接頭，以控制這兩個(gè)值之間的輸出。他選擇不用全部5V為繼電器供能，從而減少了積分器輸出的跳躍，使之可以重復(fù)。然后，通過(guò)為第二級(jí)增益放大器注入一個(gè)小電流來(lái)消除跳躍。