DIY一個(gè)1pA超微電流測(cè)試器，非常易懂！
整理：張曉宇
微電流在探索、測(cè)試、研究領(lǐng)域，用途廣泛，是打開電子測(cè)試微觀領(lǐng)域的一把鑰匙。人類探索微觀電流世界的過(guò)程從pA級(jí)到fA，再到aA，現(xiàn)已經(jīng)進(jìn)入單個(gè)電子時(shí)代。
人們往往認(rèn)為，DIY一個(gè)1pA測(cè)試器是需要經(jīng)歷巨大挑戰(zhàn)的。本文試圖說(shuō)明，通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒ê蛡鹘y(tǒng)而簡(jiǎn)單的成熟技術(shù)，不僅可以很好的解決了測(cè)試1pA的問(wèn)題，同時(shí)可以把測(cè)試下限做到1fA以下，進(jìn)入aA領(lǐng)域。
電路圖及說(shuō)明
用電池供電，微功耗設(shè)計(jì)；電池選9V，用低壓差低功耗的HT7150三端穩(wěn)壓成5V，自耗電<4uA；
然后用雙運(yùn)放的一半，把5V分成±2.5V雙電源，這部分耗電<22uA；R3和R4把-2.5V分壓成100mV作為標(biāo)準(zhǔn)電壓，由R5=100G提供測(cè)試用的1pA標(biāo)準(zhǔn)電流。這部分耗電5uA；
最后，雙運(yùn)放的另一半接成經(jīng)典負(fù)反饋I-V轉(zhuǎn)換電路，這部分耗電16uA；運(yùn)放采用LMC6062AIN，很便宜的東西，典型Ib=10fA，典型Vos=100uV，耗電32uA；
運(yùn)放也可以用LMC6042AIN，很便宜的東西，典型Ib=2fA，典型Vos=1000uV，耗電20uA；R6提供保護(hù)，不至于因偶然輸入過(guò)壓而導(dǎo)致運(yùn)放損壞；
R7是反饋電阻，C4是反饋電容，用于抵消輸入電容的影響，提高響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)也與R7一起提供一定的時(shí)間常數(shù)。
合計(jì)耗電<47uA，一節(jié)9V充電電池（350mAh）可以使用7000多個(gè)小時(shí)。如果換用LMC6042AIN，總耗電<35uA，電池可以使用10000小時(shí)。
仿真
電路很簡(jiǎn)單，預(yù)期會(huì)很順利，但實(shí)際上很艱難。大概是Multisim對(duì)于超高阻部分做的不好。
可以看到，仿真軟件把主運(yùn)放的Vos取了0.35mV，另外也肯定加入了Ib的影響，最后的輸出有一點(diǎn)偏差，很正常。
準(zhǔn)備材料、元件
除了個(gè)別元件比較難找外，其余都是很常見的。特殊的元件，主要是100G的電阻。
元件布局
先裁減好萬(wàn)能板，主要元件排布一下。上邊是電源，右下是輸入，左下是輸出。
制作輸入隔離島
此處為關(guān)鍵部位，隔離島需要高度絕緣。采用優(yōu)質(zhì)BNC插座，確認(rèn)絕緣部分是特富龍材料，這是常見的最好的絕緣材料，電阻率可以超過(guò)10的15次方歐姆-厘米。
不僅如此，BNC插座的外皮，要強(qiáng)制在地電位，這樣與中心導(dǎo)體的電位差就很?。?1mV），這樣才能保證漏電不超過(guò)0.1fA。
輸入島島芯的制作
這部分要實(shí)現(xiàn)良好的機(jī)械支撐和電氣絕緣，同時(shí)要盡量減少體積以免不必要的輸入電容和感染，這樣就直接在中心導(dǎo)體上焊接成四叉，分別接輸入、反饋電阻Rf、反饋電容Cf、運(yùn)放輸入/保護(hù)電阻。
元件安裝和焊接
這部分沒有啥特別的，常規(guī)做法。不過(guò)也比較麻煩，斷斷續(xù)續(xù)焊了兩個(gè)小時(shí)，剛剛完成。標(biāo)準(zhǔn)電壓源，不僅有0.1V，而且增加了10mV：
反饋電容制作
其實(shí)還沒有焊接完成，發(fā)現(xiàn)運(yùn)放的輸出還沒有接，反饋電容還沒有位置，補(bǔ)做一個(gè)。
這個(gè)電容要求超低漏電、很小的容量，難于找到成品，只有自己做。用外徑0.55、內(nèi)徑0.34的特富龍單芯雙絞線8cm，加密雙絞。測(cè)試一下，4.7pF，可以了。
安裝基本完成
又發(fā)現(xiàn)一個(gè)錯(cuò)誤，電壓源的地接錯(cuò)了，接到了-2.5V上去。改正后，裝上大部分元件后：
初步測(cè)試
用Mengxin DIY手持6位半測(cè)試，不給予任何電流信號(hào)，即輸入電流為零，只接上反饋電阻和反饋電容，零點(diǎn)貌似正常，不裝盒時(shí)有干擾，裝盒后大約為1.7mW，也就是17fA
加上1pA內(nèi)部電流后，輸出大約是91.5mV，也就是915fA，正常。
初步采集
仍然用Mengxin 6.5，測(cè)試時(shí)保存在內(nèi)部MicroSD卡中，采集了零點(diǎn)和1pA信號(hào)，結(jié)果非常平穩(wěn)，噪音非常小。至此，1pA超微電流測(cè)試儀DIY成功！
運(yùn)放的說(shuō)明
看照片，這些都是Ib超級(jí)微小的CMOS運(yùn)放，由于輸入級(jí)都是MOS管，因此Ib都非常小。盡管LMC6001很著名，但其用料和制作并沒有什么特別的，只是出廠前進(jìn)行了100%的測(cè)試，保證Ib<25fA而已。這些運(yùn)放盡管Ib的指標(biāo)值相差很大，但實(shí)際上相差不大，絕大多數(shù)都會(huì)低于典型值，或者Ib<10fA，因此可以基本隨便選用，使用前測(cè)試一下，個(gè)別的淘汰即可。
我主推LMC6042A和LMC6062A的原因，就是低耗電。Ib小，電流噪音就自然小。這些運(yùn)放的電流噪音的指標(biāo)都低于0.2fA/√Hz。Ib小，受溫度系數(shù)的影響就小。因此，超微電流測(cè)試，Ib是首要選擇目標(biāo)。
價(jià)格上，LMC6001A貴一些，其它都很便宜，尤其是圖中的下面兩款，很容易買到。
其它的常用運(yùn)放，還有一些金封的，例如ICH8500A、AD549LH、OPA128LM：
不過(guò)，根據(jù)國(guó)半，金封的Ib反而不如塑封的好，再由于價(jià)格貴，不推薦。
超高阻的說(shuō)明
照片為我自己的測(cè)試過(guò)的所有100G的電阻。
A. 國(guó)產(chǎn)的100G真空電阻，有一定的電壓系數(shù)，但低壓下表現(xiàn)尚可，溫漂也湊合。如果手頭正好有這種電阻，可以用在此處的超微電流測(cè)試儀里。
B. 新近國(guó)產(chǎn)100G，紅色漆皮，但表現(xiàn)很好。溫度系數(shù)大約0.14%/C，電壓系數(shù)很小，低壓下表現(xiàn)也非常好。
C. 日本FINECHEM的 RH2HVS，誤差只有1%（F），高壓下（10V～1000V）表現(xiàn)也非常好，但就是低壓下表現(xiàn)很差，介質(zhì)吸收嚴(yán)重，一旦加壓（例如開機(jī)時(shí)的5V）則難于恢復(fù)，會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出開路有輸出電壓，電荷釋放時(shí)間比較長(zhǎng)。
D. 國(guó)產(chǎn)的片狀電阻，名義上是RI80，也許是小廠的產(chǎn)品，非常垃圾的東西，電壓系數(shù)超大，10V和100V下電阻能相差2倍以上，<1V下幾乎要開路（電阻>10T），其表現(xiàn)類似一個(gè)穩(wěn)壓管，因此絕對(duì)不可以用在此處。另外，該電阻的極化存儲(chǔ)現(xiàn)象也很嚴(yán)重。
根據(jù)Johnson Noise理論，可以測(cè)試的最小電流受下列電流噪音公式約束：
I^2 = 4 * k * T * B / R
其中k是玻爾茲曼常數(shù)，為1.38E-23，T是絕對(duì)溫度，B是帶寬，R是信號(hào)源內(nèi)阻。
把常見的T=300度、B=1Hz、R=10MΩ帶入，結(jié)果得到40.7fA。顯然這個(gè)噪音對(duì)于微弱電流還是太大，要想改進(jìn)，在常規(guī)場(chǎng)合（比如不能搞低溫恒溫）、測(cè)試速度確定的場(chǎng)合下，唯一我們能做的就是提高信號(hào)源內(nèi)阻。如果R選擇1GΩ，那么電流噪音就變成4.1fA了，減到了1/10。假如繼續(xù)把R增大到100G，那么噪音極限就達(dá)到0.4fA了（2fApp，如圖紅圈所示）。
吉時(shí)利往往被公認(rèn)為是國(guó)際微電流測(cè)試最高水平，其目前仍然是保持記錄的靜電計(jì)K642，里面的反饋電阻最大用到了12次方（1T），這與其0.08fArms的電流噪音指標(biāo)是吻合的。理論上，如果進(jìn)一步要其測(cè)試下限達(dá)到1E-17（10aArms，50aApp）也是可能的，只要提高信號(hào)源內(nèi)阻到100T，同時(shí)要加大一些測(cè)試時(shí)間，如下圖綠圈所示。因此可以看到，單從噪音從這一點(diǎn)看我們就需要超高阻。
（本圖來(lái)自吉時(shí)利低電平測(cè)試手冊(cè)，并做了延伸）
內(nèi)阻越高則電流噪音越低，這個(gè)概念與微電壓的測(cè)試正好相反，因此有一些人轉(zhuǎn)不過(guò)彎來(lái)，不想用高阻.
的確，內(nèi)阻高則噪音大，但噪音是與內(nèi)阻的半次方成正比的，量程、增益是與內(nèi)阻的1次方成正比的，算下來(lái)還是需要選擇高阻。無(wú)論是信號(hào)源的內(nèi)阻，還是運(yùn)放的反饋電阻，均受此規(guī)律制約。
數(shù)據(jù)采集的說(shuō)明
數(shù)據(jù)采集，就是把微電流測(cè)試器的電壓輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)變成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)保存起來(lái)。簡(jiǎn)單一點(diǎn)的采集，要用到ADC，可以DIY，也有各種現(xiàn)成的采集卡、USB采集器可以買到。
但更方便的，是利用帶有計(jì)算機(jī)接口的商品萬(wàn)用表。我最早用UNI-T的UT71，4位半表，具有RS232接口，帶有程序；后來(lái)用Fluke 289，需要用FlukeView；在基準(zhǔn)測(cè)試中，我一般用3458A加上GPIB卡，靈活、準(zhǔn)確而功能強(qiáng)大。但在這里，我用了Mengxin DIY的手持6位半萬(wàn)用表，這表除了具有高精度、高分辨的特性外，還帶有內(nèi)置MicroSD寫卡器，這樣在采集的過(guò)程中不僅不需要交流供電，還可以脫離計(jì)算機(jī)，避免干擾。采集的數(shù)據(jù)為csv格式（逗號(hào)分隔文本）。
數(shù)據(jù)能夠采集下來(lái)，不僅可以長(zhǎng)期無(wú)損保存，更可以后續(xù)做曲線、進(jìn)行各種分析。我喜歡用Excel，在保存數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以方便的求出平均值、最大最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、阿倫方差等，更主要的，還可以作圖。
用微電流源進(jìn)行測(cè)試
有人會(huì)問(wèn)，自己DIY的微電流儀準(zhǔn)嗎？誤差如何？如何校準(zhǔn)？這個(gè)么，我這里正好有個(gè)WD-1直流微電流源，輸出范圍是0.01pA到110uA。
先裝好輸入BNC插座
用這個(gè)WD-1輸出1pA對(duì)DIY微電流儀進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)采集：
從表的讀數(shù)就可以看到，這次比較準(zhǔn)了。開始不太準(zhǔn)的原因是用的兩個(gè)100G的電阻，一個(gè)偏大另一個(gè)偏小。
現(xiàn)在這個(gè)Rf是找了一個(gè)合適的換上去的。目前正在測(cè)試中，測(cè)完后我貼出結(jié)果。更新，結(jié)果出來(lái)了，出奇的好。
由于該微電流測(cè)試器只有一級(jí)，是反向的，因此正電流輸入后讀數(shù)為負(fù)。剛才測(cè)試的時(shí)候把WD-1的輸出極性開關(guān)放到“-”的位置，輸出就為正了。1pA曲線平直、噪音很低。選取最好的100個(gè)數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，為0.28fA，這可以認(rèn)為就是有效值噪音。同樣，選取100個(gè)計(jì)算峰峰值，僅為1.3fA。從靈敏度看，按噪音有效值的2倍計(jì)算，為0.6fA。
100fA的結(jié)果類似，直觀看一下曲線：
標(biāo)準(zhǔn)差0.30fA，峰峰值1.38fA
那么，如何認(rèn)定該測(cè)試儀的測(cè)試100fA的“精度”呢？是2.5%？還是什么別的？
無(wú)論如何，可以把這個(gè)叫做100fA測(cè)試器也是可以的。
至于為什么測(cè)試1pA還比100fA好一點(diǎn)，不得而知，也許是偶然的。無(wú)論如何，1pA和100fA的短期穩(wěn)定性和重復(fù)性相近。用Cf=5pF、Rf=100G帶入理論計(jì)算公式計(jì)算一下，得到電流噪音的理論值是0.29fArms，峰峰值是1.44fA，可以看到，我的測(cè)試已經(jīng)達(dá)到了噪音理論值！要想再好是不可能的了，除非繼續(xù)增大反饋電阻。
如何衡量一個(gè)微電流測(cè)試器的好壞
有人會(huì)說(shuō)，那還不容易，用精度，或者準(zhǔn)確度。
實(shí)際不然，計(jì)量界早不這么用了，人家用不確定度。
不確定度中包含了重復(fù)性、偏差，加上其它的，我這里羅列一下：
A、穩(wěn)定性
穩(wěn)定是準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，沒有穩(wěn)定性就談不上精確。比如今天測(cè)試一個(gè)值，明天測(cè)試變了，那還有精度可言嗎？或者說(shuō)，連續(xù)測(cè)試10次的結(jié)果變動(dòng)很大，又如何準(zhǔn)確測(cè)試？因此，測(cè)試器最重要的就是穩(wěn)定性，表現(xiàn)在指針表不晃動(dòng)，數(shù)字表的末位不跳動(dòng)。
具體一點(diǎn)說(shuō)，穩(wěn)定性可以分為短期穩(wěn)定性（短穩(wěn)）和中長(zhǎng)期穩(wěn)定性。短穩(wěn)主要由噪音和干擾決定，也可以認(rèn)為是測(cè)試的重復(fù)性，可以由噪音的真有效值（rms值）表示，或者由變動(dòng)的峰峰值表示，計(jì)算時(shí)可以用標(biāo)準(zhǔn)差，或者更精確一些用阿倫方差（Excel均支持）。
以前手工計(jì)算一般只取10個(gè)連續(xù)的測(cè)試值計(jì)算，用計(jì)算機(jī)采集后一般取100個(gè)連續(xù)值。峰峰值計(jì)算比較粗糙但很方便，一般是真有效值的5倍或6倍。中期穩(wěn)定性一般由溫度變化引起，長(zhǎng)期穩(wěn)定性一般由元件的老化引起，可以表示為每年變動(dòng)百分之多少。
B、溫度變化情況，或者叫溫度系數(shù)。以每度變化百分之多少來(lái)衡量。對(duì)于I-V法的微弱電流測(cè)試儀，如果漏電能控制的很好，則溫度系數(shù)主要由反饋電阻決定的。因此，若想減少溫度的影響，那就要選擇溫度系數(shù)小的Rf。
超高阻的溫漂一般比較大，要求高的可以選擇氧化釕材料的高阻。另外，運(yùn)放的Ib如果比較大，也會(huì)引起溫漂。Vos的溫漂對(duì)整體性能貢獻(xiàn)不大。
C、最小分辨。對(duì)于指針表，是指最小檔的最小刻度；對(duì)于數(shù)字表，一般是最靈敏量程的最末位數(shù)字代表的值。如果噪音太大，那么最小分辨往往沒有意義。試想一下，一個(gè)數(shù)字表在最靈敏的量程下，末位兩個(gè)數(shù)字總在因?yàn)樵胍舻脑蛟谔鴦?dòng)，那最小分辨還有什么意思呢？誰(shuí)還會(huì)去看最后一個(gè)數(shù)字？
D、靈敏度。靈敏度是度量一個(gè)微弱電流計(jì)的重要指標(biāo)，可以認(rèn)為，靈敏度為儀器能夠分辨的輸入改變的最小值，再小的輸入信號(hào)會(huì)被噪音淹沒，因此一般可以取噪音有效值的2倍。由于噪音的峰峰值大體上為噪音有效值的5倍，因此靈敏度也大體上等于噪音峰峰值的一半。
E、偏差。這個(gè)指標(biāo)其實(shí)關(guān)系不大，有偏差校準(zhǔn)一下就可以，或者知道了偏離多少，糾正一下即可?，F(xiàn)在測(cè)試儀大多數(shù)字化了，數(shù)字零點(diǎn)改正、數(shù)字比例糾正是很容易的事情。
微電流測(cè)試器的校準(zhǔn)，可以通過(guò)剛才的類似WD-1的微電流源進(jìn)行，也可以用標(biāo)準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)高阻來(lái)進(jìn)行。例如Keithley 6517的校準(zhǔn)就是這樣的。標(biāo)準(zhǔn)電壓可以提供到非常好，例如Fluke 732B，可以精確的提供10V和1.018V電壓。高阻標(biāo)準(zhǔn)電阻，例如采用成品的BZ17超高阻標(biāo)準(zhǔn)電阻。
大部分靜電運(yùn)放的噪聲電流均為0.1到0.2fA/√Hz之間，而新型、低噪音的7721怎么能一下子高出幾十倍？因此我認(rèn)為應(yīng)該是0.1fA/√Hz，等價(jià)為2.5T的電阻的噪聲。另一方面，超高的Rf也將因Ib而產(chǎn)生壓降，例如5fA和1T將產(chǎn)生5mV的輸出，所以也應(yīng)該選取Ib盡可能小的。
來(lái)源：https://myoschain.com/blog/137395058906234882
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