挑戰(zhàn)毫微安小電流測量技術
加入技術交流群
幾千種應用都需要測試小電流的電路，最常見的是測量二極管受光照射所產(chǎn)生的光電電流。一些科學應用（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）都需要小電流的測量。除了這些直接應用以外，半導體、傳感器甚至電線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(shù)的測量都需要一致、精確的測量，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，對器件運行的任何異議都要歸結(jié)到數(shù)據(jù)表的規(guī)格上。最近，一家大型模擬 IC 公司的客戶威脅要對制造商采取法律行動，稱他所購買的器件的工作電流遠遠高于該公司規(guī)定的亞微安等級。事件的最終原因是：雖然該 PCB（印制電路板）裝配廠正確清洗了電路板，但
裝配人員用手拿 PCB 板時，在關鍵節(jié)點上留下了指紋。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，泄漏電流來自于臟污的 PCB。
測量小電流的困難來自于對測量的各種干擾。本文將討論兩個實驗板電路，這些電路必須處理表面泄漏、放大器偏置電流引起的誤差，甚至宇宙射線等問題。與大多數(shù)電路一樣，EMI（電磁輻射）或 RFI（射頻干擾）都會帶來誤差，但在這種低水平上，即使靜電耦合也會帶來問題。當要測量的電流小到毫微微安范圍時，電路容易遭受更多干擾的影響。濕度會改變電容的數(shù)值，造成較大的表面泄漏；振動會在電路中產(chǎn)生壓電效應；即使是室內(nèi)風扇引起的微小溫度改變也會在 PCB 上形成溫度梯度，造成虛假讀數(shù)；室內(nèi)光線也會降低測量的精度，熒光燈的光線會進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 的科學家，同時也是EDN的長期撰稿人Jim Williams演示了他為一個客戶設計的一款電路，該客戶需要測量一個32kHz手表晶體的均方根（rms）電流（圖1）。這種測量的一個難點在于，即使一個FET探頭的1pF電容也會影響到晶體的振蕩。確切地說，電流測量的目標之一是為每個晶振確定所使用低值電容器的大小。這種測量的進一步的困難是必須在32kHz下準確地實時測量，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(tǒng)設計者必須將其轉(zhuǎn)換為rms（均方根）值才能作評估。
Williams稱：“石英晶體的rms工作電流對長期穩(wěn)定性、溫度系數(shù)和可靠性都很重要?！彼f，小型化需求會帶來寄生問題，尤其是電容，使rms 晶體電流的精確檢測更加復雜，特別是對微功率類型的晶體。他解釋說，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量，一個rms-dc轉(zhuǎn)換器就可提供rms值。圖中虛線表示石英晶體的測試電路，它示范了一個典型的測量情況。Williams使用 Tektronix CT-1電流探頭來監(jiān)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Tektronix CT-1的七個采樣組，研究了這種增益誤差校正對一個正弦頻率（32.768kHz）的有效性。他報告說，對一個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% 以內(nèi)。盡管這些結(jié)果看似支持這種測量方案，Williams 仍認為值得說明一件事，即結(jié)果來自 Tektronix 的測量。他說：“Tektronix 并未保證低于所規(guī)定 -3dB、25kHz 低頻滾降時的性能。A3 和A4提供的增益為200，因此放大器總增益為224,000。這個數(shù)字在A4產(chǎn)生一個針對CT-1輸出的1V/mA比例因子。A4的 LTC1563-2 32.7 kHz 帶通濾波輸出通過一個以 LTC1968 為基礎的rms-dc轉(zhuǎn)換器送給A5，該rms-dc轉(zhuǎn)換器提供電路的輸出?！盬illiams 解釋說，信號處理路徑組成一個頻帶極窄的放大器，該放大器調(diào)諧到晶體的頻率。圖3畫出典型的電路波形。據(jù) Williams說，該晶體在C1的輸出端驅(qū)動（上跡線），產(chǎn)生一個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：“中間跡線可看到尖峰，這是來自與晶體并聯(lián)寄生路徑的未過濾成份。”
評論