图解DIY 1pA超微电流测试器

发表于 2011-7-1 14:41

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.

发表于 2011-7-1 14:42

seuydz,能说说在这样的情况下用什么方法来防止电流泄漏!

发表于 2011-7-1 14:44

模电,有些地方真的特别难处理,需要经验积累.

发表于 2011-7-1 17:31

mark.

发表于 2011-7-1 19:23

mark

发表于 2011-7-1 19:49

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。

登录 · 发表于 2011-7-1 20:09

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：

发表于 2011-7-1 21:48

又更新啦，，，收藏着以后看。。。

登录 · 发表于 2011-7-1 22:20

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。

登录 · 发表于 2011-7-1 23:26

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：

发表于 2011-7-2 06:41

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

发表于 2011-7-2 07:57

顶LYMEX！

发表于 2011-7-2 13:38

“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。

发表于 2011-7-2 14:38

真不错!

登录 · 发表于 2011-7-3 13:25

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。

登录 · 发表于 2011-7-3 13:51

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%/℃。

发表于 2011-7-3 18:41

mark

登录 · 发表于 2011-7-3 19:51

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。

发表于 2011-7-3 21:40

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)

发表于 2011-7-3 22:09

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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