图解DIY 1pA超微电流测试器

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楼主: lymex
| 2011-7-1 14:41 | 显示全部楼层
三防漆及灌封胶在这种级别下已经不适用了,会延长一段时间才出问题,出了问题后要把渗透的潮气弄出来就麻烦了

那真的不知道该用什么来防湿了.
| 2011-7-1 14:42 | 显示全部楼层
seuydz,能说说在这样的情况下用什么方法来防止电流泄漏!
| 2011-7-1 14:44 | 显示全部楼层
模电,有些地方真的特别难处理,需要经验积累.
| 2011-7-1 17:31 | 显示全部楼层
mark.
| 2011-7-1 19:23 | 显示全部楼层
mark
 楼主 | 2011-7-1 19:49 | 显示全部楼层
疑问,这个lymex是不是那个在hot38上有好多高精度DMM的lymex?
能共享一下100G电阻的购买地址吗?
谢谢!
大西22 发表于 2011-7-1 13:20

是我。
100G电阻的购买连接:http://item.taobao.com/item.htm?id=7979523339
我当时买了12个,现货,实价是32/只。后来还想买几只她没货了,要订货,就没再买。
规格是Φ5×28。
今天有位北京的朋友去她的柜台,这种红色的也没有现货了,只有真空的、玻璃管的那种。
 楼主 | 2011-7-1 20:09 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-4 09:11 编辑

15、用微电流源进行测试
有人会问,自己DIY的微电流仪准吗?误差如何?如何校准?
这个么,我这里正好有个WD-1直流微电流源,输出范围是0.01pA到110uA。




先装好输入BNC插座



用这个WD-1输出1pA对DIY微电流仪进行测试,同时采集:



从表的读数就可以看到,这次比较准了。开始不太准的原因是用的两个100G的电阻,一个偏大另一个偏小。现在这个Rf是找了一个合适的换上去的。

目前正在测试中,测完后我贴出结果。



更新,结果出来了,出奇的好。
由于该微电流测试器只有一级,是反向的,因此正电流输入后读数为负。刚才测试的时候把WD-1的输出极性开关放到“-”的位置,输出就为正了。
1pA曲线平直、噪音很低。选取最好的100个数计算标准差,为0.28fA,这可以认为就是有效值噪音。同样,选取100个计算峰峰值,仅为1.3fA。从灵敏度看,按噪音有效值的2倍计算,为0.6fA。



100fA的结果类似,直观看一下曲线:

标准差0.30fA,峰峰值1.38fA

那么,如何认定该测试仪的测试100fA的“精度”呢?是2.5%?还是什么别的?
无论如何,可以把这个叫做100fA测试器也是可以的。

至于为什么测试1pA还比100fA好一点,不得而知,也许是偶然的。无论如何,1pA和100fA的短期稳定性和重复性相近。用Cf=5pF、Rf=100G带入理论计算公式计算一下,得到电流噪音的理论值是0.29fArms,峰峰值是1.44fA,可以看到,我的测试已经达到了噪音理论值!要想再好是不可能的了,除非继续增大反馈电阻。


附上测试数据,包括图表:

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| 2011-7-1 21:48 | 显示全部楼层
又更新啦,,,收藏着以后看。。。
 楼主 | 2011-7-1 22:20 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-3 13:17 编辑

16、如何衡量一个微电流测试器的好坏
有人会说,那还不容易,用精度,或者准确度。
实际不然,计量界早不这么用了,人家用不确定度。
不确定度中包含了重复性、偏差,加上其它的,我这里罗列一下:
A、稳定性
稳定是准确的基础,没有稳定性就谈不上精确。比如今天测试一个值,明天测试变了,那还有精度可言吗?或者说,连续测试10次的结果变动很大,又如何准确测试?
因此,测试器最重要的就是稳定性,表现在指针表不晃动,数字表的末位不跳动。
具体一点说,稳定性可以分为短期稳定性(短稳)和中长期稳定性。短稳主要由噪音和干扰决定,也可以认为是测试的重复性,可以由噪音的真有效值(rms值)表示,或者由变动的峰峰值表示,计算时可以用标准差,或者更精确一些用阿伦方差(Excel均支持)。以前手工计算一般只取10个连续的测试值计算,用计算机采集后一般取100个连续值。峰峰值计算比较粗糙但很方便,一般是真有效值的5倍或6倍。
中期稳定性一般由温度变化引起,长期稳定性一般由元件的老化引起,可以表示为每年变动百分之多少。
B、温度变化情况,或者叫温度系数。以每度变化百分之多少来衡量。对于I-V法的微弱电流测试仪,如果漏电能控制的很好,则温度系数主要由反馈电阻决定的。因此,若想减少温度的影响,那就要选择温度系数小的Rf。超高阻的温漂一般比较大,要求高的可以选择氧化钌材料的高阻。另外,运放的Ib如果比较大,也会引起温漂。Vos的温漂对整体性能贡献不大。
C、最小分辨。对于指针表,是指最小档的最小刻度;对于数字表,一般是最灵敏量程的最末位数字代表的值。如果噪音太大,那么最小分辨往往没有意义。试想一下,一个数字表在最灵敏的量程下,末位两个数字总在因为噪音的原因在跳动,那最小分辨还有什么意思呢?谁还会去看最后一个数字?
D、灵敏度。灵敏度是度量一个微弱电流计的重要指标,可以认为,灵敏度为仪器能够分辨的输入改变的最小值,再小的输入信号会被噪音淹没,因此一般可以取噪音有效值的2倍。由于噪音的峰峰值大体上为噪音有效值的5倍,因此灵敏度也大体上等于噪音峰峰值的一半。


E、偏差。这个指标其实关系不大,有偏差校准一下就可以,或者知道了偏离多少,纠正一下即可。现在测试仪大多数字化了,数字零点改正、数字比例纠正是很容易的事情。

微电流测试器的校准,可以通过刚才的类似WD-1的微电流源进行,也可以用标准电压和标准高阻来进行。例如Keithley 6517的校准就是这样的。标准电压可以提供到非常好,例如Fluke 732B,可以精确的提供10V和1.018V电压。高阻标准电阻,例如采用成品的BZ17超高阻标准电阻。



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 楼主 | 2011-7-1 23:26 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-2 12:41 编辑

17、商品微电流测试仪都是怎么做的?
刚才有人问这个问题(37楼),一般公认吉时利是国际上微电流水平最好的厂家,不妨看几款他们的产品。


610C,模拟的,最小量程达到0.01pA,输入级就是采用经典的I-V法,当然没用运放,用的是MOS管等分立元件。反馈电阻最大100G,因此可以预测,其电流噪音低不过0.29fA的理论极限。

输入部分,手动旋转开关,可以看到开关的特富龙绝缘、几个高阻(100M、1G、10G、100G)。








617,数字的,这个表我也有,前级也是I-V法,反馈电阻最大也是100G。
电路图我就不上了,网上都可以查到,内部图前面有一张,这里上一个局部的:



6517,这个是617的改进型,性能其实与617差不多,与617类似,输入岛接了很多继电器,而继电器是干簧管的,外边套的特富龙套管:


642,这款虽老,但据我所知其测试记录一直没有被打破,只有自家的6430与之齐平。究其原因,除了各种措施完备外,与其内部采用了空前的1T电阻有直接关系:


还有一个老HP的,这款尽管最小量程2pA,但也是高阻仪,我用起来非常方便,调制型的,零点非常准,无需调零(其实就没有)。


如果真对静电仪感兴趣,建议下载并研读这些老仪器的手册,里面电路图、原理介绍都有。

补充,日本人写的《测量电子电路设计模拟篇》,第51页对这种I-V转换法弱电流计的输入结构有详细的描述:

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| 2011-7-2 06:41 | 显示全部楼层
实验室里好几台吉时利的仪器,啥时候等光电测试完了也弄过来玩玩,希望别像网分那样被我搞坏
| 2011-7-2 07:57 | 显示全部楼层
顶LYMEX!
 楼主 | 2011-7-2 13:38 | 显示全部楼层
“加上1pA内部电流后,输出大约是91.5mV,也就是915fA,正常。”

这个正常,是怎么算出来的?
lych9139 发表于 2011-7-1 10:18

电流=电压/电阻=91.5mV/100G=915fA。
其实这个电流有点偏低,最好是1000fA,那才是1pA。后来发现,这个电流偏低的原因,是R7也就是Rf偏大,同时R5偏小导致的。后来换了R4,误差很小了。
| 2011-7-2 14:38 | 显示全部楼层
真不错!
 楼主 | 2011-7-3 13:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-4 00:38 编辑

18、热电动势和噪音
有人会问,微小信号放大不是要特别注意热电动势的影响吗?为什么在你的制作和测试中只字未提?
热电动势其实主要是在微小电压放大时才需要考虑的,而这里是微小电流放大。
即便是10G的内阻,在带宽B=1Hz下热噪音电压的有效值本身就达到了13uV,100G的噪音就更大了,这足以掩盖任何常见的热电动势了,只要用常规做法即可,无需特别处理。同样,其它噪音或干扰电压,如果都是微伏级别的,也无需特别考虑。由于高阻的采用容忍了更高的电压噪音,因此运放的Vos也变得不那么重要了,只要不大于1mV,温漂不大于10uV/℃即可,容易满足。
事实上,只要做好外壳屏蔽,在几天的测试过程中,没有发现更多的异常现象。
倒是经常性的有一些脉冲干扰,整体装入厚重的铝箱内也不能避免,怀疑是宇宙射线引起的。

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 楼主 | 2011-7-3 13:51 | 显示全部楼层
19、测试温度系数
把微电流测试器放入冷热箱,输入100fA,改变温度,看输出的变化。



这是一种有别于三点恒温测试温度系数的方法,是记录全过程的变温测试方法,曾经用在标准电阻的温度系数测试中,效果良好,是所谓的“全息”测试法,因为把整个测试过程中的温度中间值和输出值全部记录了、全部利用,因此排除了偶然读数误差,大量的数据共同对温度系数做加权输出。
下面的曲线,是100fA测试值与温度随时间变化的情况,温度的改变是通过调节冷热箱的电压值手工调节的。可以直观的看出,测试值随温度变化不大,但11点附近有个峰值出现,不知道是什么原因,也许是冷热箱因冷却而结露或蒸发,造成漏电的变化所导致。


以下曲线是温度-电流分布图,红色线为线性回归(最小二乘法逼近线),红字为此线的公式,因此可以得到,该测试器在此种情况下的温度系数为+0.06%/℃。

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| 2011-7-3 18:41 | 显示全部楼层
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 楼主 | 2011-7-3 19:51 | 显示全部楼层
20、宇宙射线?
在测试的过程中,偶尔发现无规则的脉冲干扰,换了不少运放、换了不同的高阻,现象照旧。增加了很厚的接地金属防护也毫无作用,不像是常规的干扰,因此怀疑是宇宙射线。

宇宙射线是一些来自地球之外的高能粒子辐射,贯穿能力特别强,需要深入地下几千米才能排除其影响,因此在地面上传统的铅板等防护措施基本无用。

EDN在“挑战毫微安电流测量技术”中,提到了宇宙射线对积分法测试的影响,而恰巧我用积分法测试LMC6062A的Ib时也发现了类似的电压突变:



那么如何判断是宇宙射线而不是内部干扰所导致呢?只好再做一套同样的系统,两套独立的系统同时采集。如果得到的曲线上,在相同的位置出现类似的干扰,那至少可以判断干扰来自外部。而如果这两套系统均采用电池供电、相隔一段距离、良好屏蔽,如果仍然出现同时间干扰,那基本上可以判断是宇宙射线了。


结果出来了,两个同时测试的曲线,尖峰干扰的部分基本没有对得上的,因此排除是宇宙射线的干扰。

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| 2011-7-3 21:40 | 显示全部楼层
看样子LZ是干计量的啦.
总结得非常不错啦!   学习啦
(以前光从datasheet上看,所以选用AD59,还有防湿用盒屏蔽,IO口用玻璃烧结,盒子四周焊)
 楼主 | 2011-7-3 22:09 | 显示全部楼层
谢谢LS,但我不是搞计量的,电子方面也是我的业余爱好,我是干IT的。
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