挑戰(zhàn)毫微安小電流測(cè)量技術(shù)

　　增益級(jí)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)過增益提升的信號(hào)傳送給一臺(tái)數(shù)字示波器，示波器記錄數(shù)據(jù)，并減去測(cè)試運(yùn)行時(shí)獲得的校正斜率，從而給出一個(gè)有效的測(cè)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(dāng)而可重復(fù)的時(shí)間延遲，用于觸發(fā)數(shù)字示波器。

　　Grohe還知道好的低噪聲設(shè)計(jì)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(shù)字電路供電。他用了一些固定和可變穩(wěn)壓器，為DUT和積分器提供±5V，為繼電器驅(qū)動(dòng)電路提供8V，為數(shù)字電路提供一個(gè)獨(dú)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(xiàn)所測(cè)試的多數(shù)LMC6001器件的偏置電流均小于5 fA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)定的數(shù)值。他以這款實(shí)驗(yàn)電路板為基礎(chǔ)，制作了一個(gè)安裝在標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)卡上的測(cè)試電路。（有關(guān)這一設(shè)計(jì)的更多信息見參考文獻(xiàn) 4、參考文獻(xiàn) 5 和參考文獻(xiàn) 6，包括一個(gè)系統(tǒng)視頻。）

　　Grohe不會(huì)用這個(gè)電路在自己的實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量毫微微安級(jí)電流。他說：“我推薦用Keithley2400靜電計(jì)。我們已經(jīng)用該儀器測(cè)試了制造中的 LMC6001，工廠允許我們使用外部測(cè)試設(shè)備。”Keithley 確實(shí)值得他投入信心。該公司在其網(wǎng)站上免費(fèi)提供有關(guān)測(cè)量微微微安電流的出色文檔（參考文獻(xiàn) 7），以及一本有關(guān)精密測(cè)量的書籍（參考文獻(xiàn) 8）。

　　DDC112

　　Grohe和Pease的積分方案并不限于實(shí)驗(yàn)室的計(jì)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(cè)量，并提供一個(gè)可利用的數(shù)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(xiàn)9）。這些20位部件的采樣速率達(dá)3kHz。

　　你必須具備嘗試這些測(cè)量的物理認(rèn)識(shí)。如果DDC112可以測(cè)量12 pC的電荷，并且你希望測(cè)量12pA電流，則需要將積分時(shí)間設(shè)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(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生一個(gè) 20位的值。換句話說，DDC（直接數(shù)字變換器）可以解析毫微微安級(jí)電流，盡管精確度降低了。器件的輸入偏置為20fA，但你的系統(tǒng)軟件可以校準(zhǔn)這個(gè)值，所以，器件仍應(yīng)該能夠解析非常低的水平。記住，這種類型靈敏度很難做到只在出廠時(shí)校正一次系統(tǒng)，然后就可以一直工作下去。隨著溫度的增加，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(zhǎng)起來。當(dāng)測(cè)試毫微微安級(jí)電流時(shí)，采用上電時(shí)現(xiàn)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(píng)估板，你可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)就搭建并運(yùn)行起來，對(duì)那些即使對(duì)最好的手持?jǐn)?shù)字電壓表也太小的電流作測(cè)量（圖 10）。

　　TI的過采樣轉(zhuǎn)換器系列產(chǎn)品經(jīng)理以及該器件所用技術(shù)的專利擁有者 Jim Todsen 說，DDC 系列的開發(fā)開始于 Burr-Brown ACF2101，這是一個(gè)雙切換積分器前端，它為電流/電壓轉(zhuǎn)換功能提供了一個(gè)單芯片選擇。Todsen 解釋說，雙積分器的好處是它總能采集到輸入電流。當(dāng)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)過程不斷持續(xù)，長(zhǎng)到你需要測(cè)量的整個(gè)階段。他說：“當(dāng) ACF2101 將輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓后，一只分立的高分辨率 ADC 對(duì)其作數(shù)字化。DDC112 將 ACF2101 的電流/電壓功能與高分辨 ADC 的數(shù)字化做到了一只芯片中。”他將這一進(jìn)步歸功于晶圓工藝的發(fā)展，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高水平的混合信號(hào)集成，同時(shí)也由于 TI 高速△-∑核的發(fā)展，該核能夠提供測(cè)量前端信號(hào)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(duì)極低泄漏輸入優(yōu)化，以及在長(zhǎng)積分周期中極穩(wěn)定的性能?！?