图解DIY 1pA超微电流测试器

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 楼主 | 2011-6-30 18:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 xyz549040622 于 2014-12-27 22:05 编辑


首帖修改一下,增加目录
00、前言
01、电路图及说明
02、仿真
03、准备材料、元件
04、元件布局
05、制作输入隔离岛
06、输入岛岛芯的制作
07、元件安装和焊接
08、反馈电容制作
09、安装完成
10、初步测试
11、初步采集
12、运放的说明
13、超高阻的说明
14、数据采集的说明
15、用微电流源进行测试
16、如何衡量一个微电流测试器的好坏
17、商品微电流测试仪都是怎么做的?
18、热电动势和噪音
19、测试温度系数
20、宇宙射线?
21、微电流测试的误区
22、学习微电流检测技术的一种方法
23、微电流测试仪有什么用?
24、德国的微电流板分析
25、DIY 1pA的对比和总结
26、如何测试低频噪声
27、微电流下一步
28、参考书
29、参考文章/电子文档
30、参考设备及手册
31、后记




00、前言
微电流在探索、测试、研究领域,用途广泛,是打开电子测试微观领域的一把钥匙。人类探索微观电流世界的过程从pA级到fA,再到aA,现已经进入单个电子时代。
人们往往认为,DIY一个1pA测试器是需要经历巨大挑战的。本文试图说明,通过适当的方法和传统而简单的成熟技术,不仅可以很好的解决了测试1pA的问题,同时可以把测试下限做到1fA以下,进入aA领域。


01、电路图及说明
用电池供电,微功耗设计;
电池选9V,用低压差低功耗的HT7150三端稳压成5V,自耗电<4uA;
然后用双运放的一半,把5V分成±2.5V双电源,这部分耗电<22uA;
R3和R4把-2.5V分压成100mV作为标准电压,由R5=100G提供测试用的1pA标准电流。这部分耗电5uA;
最后,双运放的另一半接成经典负反馈I-V转换电路,这部分耗电16uA;
运放采用LMC6062AIN,很便宜的东西,典型Ib=10fA,典型Vos=100uV,耗电32uA;
运放也可以用LMC6042AIN,很便宜的东西,典型Ib=2fA,典型Vos=1000uV,耗电20uA;
R6提供保护,不至于因偶然输入过压而导致运放损坏;
R7是反馈电阻,C4是反馈电容,用于抵消输入电容的影响,提高响应时间,同时也与R7一起提供一定的时间常数。
合计耗电<47uA,一节9V充电电池(350mAh)可以使用7000多个小时。如果换用LMC6042AIN,总耗电<35uA,电池可以使用10000小时。

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参与人数 3威望 +4 收起 理由
nqyijian + 2 耐心,技术好
fancy_xp + 1 真正的专家!
and + 1
 楼主 | 2011-6-30 18:38 | 显示全部楼层
02、仿真
电路很简单,预期会很顺利,但实际上很艰难。大概是Multisim对于超高阻部分做的不好。
可以看到,仿真软件把主运放的Vos取了0.35mV,另外也肯定加入了Ib的影响,最后的输出有一点偏差,很正常。

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评论

972140 2014-5-12 12:13 回复TA
好,向专家学习 
 楼主 | 2011-6-30 18:43 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-6-30 18:45 编辑

03、准备材料、元件
除了个别元件比较难找外,其余都是很常见的。
特殊的元件,主要是100G的电阻。


元件细节

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参与人数 2威望 +4 收起 理由
xg3469 + 3 知识面广,技术全面,叙述有条理,“什么都.
nashjr + 1
 楼主 | 2011-6-30 19:03 | 显示全部楼层
04、元件布局
先裁减好万能板,主要元件排布一下。
上边是电源,右下是输入,左下是输出。

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| 2011-6-30 19:32 | 显示全部楼层
mark
| 2011-6-30 19:41 | 显示全部楼层
那个PCB材料的对角线电阻有多少个G欧姆啊?
 楼主 | 2011-6-30 20:04 | 显示全部楼层
05、制作输入隔离岛
此处为关键部位,隔离岛需要高度绝缘。
采用优质BNC插座,确认绝缘部分是特富龙材料,这是常见的最好的绝缘材料,电阻率可以超过10的15次方欧姆-厘米。
不仅如此,BNC插座的外皮,要强制在地电位,这样与中心导体的电位差就很小(<1mV),这样才能保证漏电不超过0.1fA。

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 楼主 | 2011-6-30 20:23 | 显示全部楼层
06、输入岛岛芯的制作
这部分要实现良好的机械支撑和电气绝缘,同时要尽量减少体积以免不必要的输入电容和感染,这样就直接在中心导体上焊接成四叉,分别接输入、反馈电阻Rf、反馈电容Cf、运放输入/保护电阻。

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| 2011-6-30 20:40 | 显示全部楼层
Very Good!!
| 2011-6-30 21:31 | 显示全部楼层
顶老大! :)
| 2011-6-30 21:44 | 显示全部楼层
支持一下
| 2011-6-30 21:49 | 显示全部楼层
:victory:
 楼主 | 2011-6-30 23:13 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-1 18:58 编辑

07、元件安装和焊接
这部分没有啥特别的,常规做法。

不过也比较麻烦,断断续续焊了两个小时,刚刚完成。
标准电压源,不仅有0.1V,而且增加了10mV:



背面,尽量避免交叉:



2011-7-1 19:00补充,昨天焊完后发现两处小问题,改正后:

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| 2011-6-30 23:31 | 显示全部楼层
坐等LZ更新
 楼主 | 2011-6-30 23:49 | 显示全部楼层
08、反馈电容制作
其实还没有焊接完成,发现运放的输出还没有接,反馈电容还没有位置,补做一个。
这个电容要求超低漏电、很小的容量,难于找到成品,只有自己做。
用外径0.55、内径0.34的特富龙单芯双绞线8cm,加密双绞。测试一下,4.7pF,可以了。

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参与人数 2威望 +2 收起 理由
mashiquan + 1 很给力!
Siderlee + 1
 楼主 | 2011-7-1 00:52 | 显示全部楼层
09、安装基本完成
又发现一个错误,电压源的地接错了,接到了-2.5V上去。改正后,装上大部分元件后:



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 楼主 | 2011-7-1 01:07 | 显示全部楼层
10、初步测试
用Mengxin DIY手持6位半测试,不给予任何电流信号,即输入电流为零,只接上反馈电阻和反馈电容,零点貌似正常,不装盒时有干扰,装盒后大约为1.7mW,也就是17fA


加上1pA内部电流后,输出大约是91.5mV,也就是915fA,正常。

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 楼主 | 2011-7-1 01:12 | 显示全部楼层
11、初步采集
仍然用Mengxin 6.5,测试时保存在内部MicroSD卡中,采集了零点和1pA信号,结果非常平稳,噪音非常小。至此,1pA超微电流测试仪DIY成功!



今天太晚了,明天晚间继续。附:原始采集数据及图表:

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| 2011-7-1 04:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 bbyeah 于 2011-7-1 04:41 编辑

记得几年前老师给我介绍微电流测试仪的时候说的是敏感电路最好不用PCB全部搭焊完成,然后用单独的屏蔽盒密封
好久没看DIY产品了,楼主做得很赞
| 2011-7-1 06:09 | 显示全部楼层
赞一个.
那个LMC6062好贵吧!
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