图解DIY 1pA超微电流测试器

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楼主: lymex
| 2011-7-3 22:24 | 显示全部楼层
LZ....LZ....唉。。。
21IC虽然人气不错。。。但。。。。不说啦。。。各位自己体会吧。。。

感谢至极,收藏啦。。。
| 2011-7-3 23:08 | 显示全部楼层
58# lymex
谢谢楼主无私奉献,受益非浅!
| 2011-7-3 23:26 | 显示全部楼层
可否再请LZ说明一下:
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。

这个0.29fA的理论极限是怎么计算出来的?100G的电阻常温25度时的每单位带宽的热噪声是40uV对的吧?

谢啦啊,非常感谢!
| 2011-7-3 23:57 | 显示全部楼层
LZ的第18部分:
100G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,
是13uV吗?
√4×1.38×10E-23×(25+273.15)×100×10E9×1 =________
等于40uV吧?是算错啦,还是我的计算器错啦。。。
 楼主 | 2011-7-4 00:33 | 显示全部楼层
可否再请LZ说明一下:
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。

这个0.29fA的理论极限是怎么计算出来的?100G的电阻常温25度时的每单位带宽的热噪声是40uV对的吧? ...
youku 发表于 2011-7-3 23:26

这个0.29fA的理论极限,是按照我采用的Cf=5pF来计算的,带宽=1/(4*5E-12*1E11)=0.5Hz
然后,电流噪音= √(4 * k * T * B / R)= 0.29fA
如果按照电压噪音算,带宽0.5Hz下是29uV,除上100G也正好是0.29fA。
 楼主 | 2011-7-4 00:37 | 显示全部楼层
LZ的第18部分:
100G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,
是13uV吗?
√4×1.38×10E-23×(25+273.15)×100×10E9×1 =________
等于40uV吧?是算错啦,还是我的计算器错啦。。。 ...
youku 发表于 2011-7-3 23:57

哦,那个是个笔误,我本是想说10G的电阻。
10G电阻在B=1Hz下噪音是13uV。
我去改一下,谢谢!
| 2011-7-4 01:51 | 显示全部楼层
mark
| 2011-7-4 07:45 | 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。

干IT的,能把静电计做到这样细腻程度,非常佩服!
 楼主 | 2011-7-4 23:02 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-4 23:26 编辑

21、微电流测试的误区
微电流,尤其是超微电流,难于捉摸,使得不少人存在一些认识的误区。


A、超高阻噪音太大,尽量避免使用
这个是害人最深的误区。
的确,根据热噪音理**式,噪音电压的平方与电阻阻值成正比,因此随着电阻的增大,噪音也会缓慢增大,规律是电阻增大100倍则噪音增大10倍。但殊不知,电阻的噪音还有另一个从电流方式表达的侧面,电流的噪音的平方是与电阻成反比的:
I = √(4*k*T*B/R)
也就是说,电阻每增大100倍,电流噪音就降低为1/10。有时真是奇怪得很,既然测试的是微电流,不计算电流噪音,反而只看电压噪音。既然你都算出了电压噪音,为什么不除一下电阻,得到电流噪音呢?纵观商品的静电计/微电流计,都是采用大电阻的方式,一般都用到100G,更有吉时利的642和6430,用到了1T,这样才能取得0.08fA的噪音有效值和0.4fA峰峰值(有效值和峰峰值一般是5倍的关系)。




B、超高高阻质量不好、超高阻买不到
相对来说,高阻不容易做好是事实,但对比超高阻带来的收益看,其质量的下降没那么大。
10M的电阻还算不上高阻,这个阻值RN55D做的最好,我用100只串联做过1G;
100M的,我有一些1/4W的,也不错;而到了1G尤其是10G,小体积的就很难做好了,因为需要一定长度的导电途径,因此选那种电阻粗、刻线细的就有优势;到了100G就更难选一些,好在我找到了一款不错的国产货。甚至到1T,都能找到可以用的电阻。那种说高阻不好的,有可能是他用的测试表不好,或者是测试时没有很好的屏蔽,外界干扰了测试结果,其实不一定是电阻本身不好。
事实上,用氧化钌做主材的高阻可以做得相当好,例如10G的可以做到0.05%、温漂5ppm/C,100G的可以做到25ppm/C的温漂,1T的可以做到0.2%。如果真有这种高阻为关键元件的需求,的确可以买到。



C、I-V法最好用T型网络法
这是一个广泛存在的误区,很多文献都推崇T型网络,用来回避高阻。事实上,电阻的噪音的计算并非看等效电阻,而是看实际阻值。用T型网络后电阻是降下来了,但带来的问题就是电流噪音相应的增大,这对于超微电流测试得不偿失。采纳T型网络方式的I-V变换,最主要的原因是对电流噪音公式的忽略或不理解。另外,推举T型电路者还强调可以降低Ib的影响,也是错误的。正规的微电流计没有一个采用T型网络的,T型网络只存在与不明真相的文献中。当然,T型电路也不是毫无是处,在对高阻有限制、电流不是很微弱、对响应时间有要求的地方可以采用。



D、微电流测试,难度大、需要考虑的因素多,因此需要复杂的技术
事实上,微电流测试就是那么一层窗户纸,用简单的I-V方法一捅就破。fA级别的信号,无论如何变换和放大,最终总要转换成电压,何必不一步到位?那么小的电流下,采用任何其它的电路或器件,都将引入新的漏电、额外的不确定因素,为什么不用简单的?



E、用运放做I-V转换,性能上超不过Ib
这里的性能,一般是指噪音或灵敏度。Ib当然选小的好,但Ib不是极限,完全可以做出比Ib的实际值更好的微电流测试器。极限是Ib的噪音。
商品静电运放,Ib最好的指标,也就是<10fA,有几款已经不生产了,例如ICH8500A、3430K。目前在产的最好的是LMP7721,指标是Ib<20fA。显然,20fA或者10fA对于超微电流还是太大了。


如果我们想用这样的运放取得1fA的性能,还是是完全可能的。Ib大,甚至缓慢的变化(例如温漂)都不要紧,可以调零。调零电路在微电流表里很常见,例如610C有三个调零钮(粗、中、细),而数字表是靠数字法调零的,更简单而不易察觉。相反,Ib的噪音是无法克服的,例如LMC6062的噪音是0.20fA、LMC6001是0.13fA,OPA128L是0.12fA,LMP7721是0.10fA。以上噪音的单位是√Hz,也可以认为是带宽B=1Hz下的噪音值。当然,这些都是噪音的典型值,通过筛选,可以取得更小的电流噪音,因此理论上在B=1Hz下取得0.1fA的噪音是完全有可能的,这已经远小于运放的Ib了。


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youku + 1 非常感谢!
 楼主 | 2011-7-5 00:38 | 显示全部楼层
22、学习微电流检测技术的一种方法

学习微电流检测技术应该存在很多种方法,这里描述的是我自己的方法的总结,不一定是最好的,仅供参考。


A、首先学习基本知识、基础理论,找运放的、微小信号测试的、噪音相关的书籍。

B、收集网上的文章、案例。关键词:小电流,微电流,毫微安电流,微弱信号。

C、下载吉时利微电流测试仪的维修手册,包括电路图和原理分析介绍。模拟的可以参考610C,数字的可以参考617,高级的可以参考642。
比如617手册:
http://www.keithley.com/support/data?asset=1062
642手册:http://www.keithley.com/data?asset=952

D、买一台吉时利的微电流测试仪,一方面可以作为工具,测试在微电流制作过程中必不可少的高电阻、运放等器件,更主要的可以拆解参考。

E、购买必要的元器件,例如高阻、运放等关键元件,多买一些不同的,进行测试、比较和分类,最后试装。如果没有这个过程,那就是纸上谈兵了。

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youku + 1 非常感谢!
bbyeah + 1
| 2011-7-5 07:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 youku 于 2011-7-5 07:21 编辑

哇,非常详细,赶紧珍藏。。。
LZ给整理并丰富一下,出本书吧,打造现代国人经典之作。。。:)

另外能否介绍一下测微弱电压的问题呢?因为需要放大很弱的从线圈感应出来的信号,实在不清楚是不是就用差分放大器甚至用仪表运放。。。也是低频,最大1MHz以下.。。到底弱到啥程度不好说,大概几uV吧
| 2011-7-5 09:09 | 显示全部楼层
这个要顶
| 2011-7-5 12:36 | 显示全部楼层
干IT的,能把静电计做到这样细腻程度,非常佩服!
nongfuxu 发表于 2011-7-4 07:45

楼主在时间基准电压基准摄影等方面投入的时间精力和金钱已经远不是业余了,就算一般专业人士也难望其项背吧。
| 2011-7-5 13:59 | 显示全部楼层
首先对LZ对微弱信号检测所表现的兴趣表示赞赏!
提出几个问题:
1,T型电阻网络的目的是用小阻值的电阻代替高阻值电阻,因为高精度小阻值电阻易做且便宜,计量也容易。
   不是为了减小电阻噪声。
2,封装在真空中高阻不会产生氧化、不会潮湿和脏污,但玻璃壳外表不能保证不潮湿和脏污。
   引线所连基础及PCB不能保证不潮湿和脏污。
3,用手靠近试试。
4,用热风枪吹吹试试。
5,做一个测量范围为1皮安~100微安的试试
6,把电流测试线引长1米试试,然而用手摸摸、恍恍电缆试试。

彭建学  上海

评论

magic_yuan 2015-9-30 17:06 回复TA
都是要害部位啊 
| 2011-7-5 14:19 | 显示全部楼层
把R4改成20欧,R5改成0.1G,其他不变,看看输出是否为0.1064V.

彭建学  上海
 楼主 | 2011-7-5 16:56 | 显示全部楼层
感谢LS的问题,回答如下:

1、T型网络的确如此,我上面说了,推崇者的直接目的是回避高阻。
但他们在解释为什么要回避高阻的时候,说法很多,包括了说高阻噪音大的。例如“极微弱光电流测量电路的设计”一文:


既然T型反馈减少了电阻,自然减少了电阻的噪音。
----------以上,不是我说的,是有误区的人说的,不要误解我。


2、玻璃壳密封的好处是不言而喻的,我们业余高基准的都喜欢玻封、金封,所谓环境密封(Hermetic),可以保持长期稳定性,我专门有一篇几十页的文章讲金封的。问题是,真空电阻工艺老,芯小,芯不好。耐压低、电压系数大、低压下表现不好、介质吸收现象严重是国产真空电阻的通病。这些基本的指标都做不好,那在要求高的地方是没人采用的。最后,所谓“真空电阻”,实际上真空度并不高,只是密封好而已。

3、手靠近没有啥关系,外壳是金属的、接地的。

4、这个我还真吹过,目的是加热,吹散清洗用的无水酒精,但不是在工作中吹。如果用热风枪吹的目的是改变测试器的温度的话,那还是用冷热箱更合适,见我上面温度系数测试一段。工作中用热风枪吹,是一种不正规的做法,根本得不到任何定量的测试结果。

5、我这个测试范围是超过这个的,包括0.1pA、1pA、10pA,一直增加上去,只要改换Rf和Cf就行。上面的图中,我已经演示了0.1pA和1pA。
机械换档或者电控换档,的确是小电流测试中另外一个需要解决的问题,商品的静电计其实早已解决的很好了,我在上面第17段里已经有描述,机械的用专用的开关,电控的用专用的干簧继电器。我这里只是演示一个简单的、基本、噪音非常低的1pA测试头而已,不包括换档。如果需要大范围微电流测试,换档是每个仪器都必须考虑的。但若基本的1pA做不好,其它的只能是浮云了。


6、我接用WD-1进行测试就是用的1米长的测试线,用手摸或者晃动电缆会引起读数改变,因此测试中是被禁止的。商品的微电流测试设备不仅禁止在测试中晃动电缆,而且电缆都是特殊材料制作的,以便减少压电和摩擦生电效应,而且电缆都做成很硬的那种,使其对气流和振动不敏感。看一下吉时利的产品目录,其测试电缆和附件占了很大比重,种类繁多,价格昂贵,做法非常专业。

7、这种改动是没有意义的,我不会去测试,因为降低了信号源内阻,这样噪音电流就急剧加大了。这样改动的目的我也理解,是看一下运放的Vos的影响。事实上,LMC6062A的Vos典型值是100uV,并不大。微电流的源都是高阻型的,对Vos的大小不敏感。微电流测试器是测试微电流的,不是用来测试微电压的。现代最好的微电流测试器吉时利6430,其burden电压也就是<1mV而已,还不如我这个,你给他一个0.1mV+100M,照样给出错误的读数。

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| 2011-7-5 17:18 | 显示全部楼层
在 微电流检测认识之误区  帖子中,已经很清楚了,lymex认为他测量的是个相当的理想电流源!即内阻极大。如果这么认为的话,那么当然测量电路的输入电阻越大越好,10G,100G,......,而peng遇到的现实问题往往不是理想电流源或电压源,这个时候输入阻抗就要考虑信号源阻抗的大小,到底输入阻抗多少合适,书上讲的很清楚,输入电阻与源电阻匹配才行,才能获取最大的信号功率,获得最大的信噪比。所以在弱信号检测中,也绝不是输入阻抗越大越好或越小越好,甚至低噪声运放的选择也不是噪声越低越好(一是成本,二是电压噪声低了但电流噪声高了,或输入电阻原因不能获取高的信噪比)。

所以大家讨论的前提先要弄清楚。如果是理想源理想测试条件,lymex对,如果非理想,peng对。
 楼主 | 2011-7-5 17:48 | 显示全部楼层
实际上,微电流源的内阻都非常高,而且是越微小的电流源内阻就越高,等一下我会举出很多例子来。

换一个角度看,标准电流源本身的噪音如果相对很大,那是没有意义的。peng在刚才的那个改动中,用0.1mV+100M来生成一个1pA,但不知道他计算过这100M的内阻的噪音是多大?在1Hz的带宽下,100M电阻在常温下的热噪音电流是64fA峰峰值,这么大的噪音是没有资格做标准源的,我的1pA测试器噪音峰峰值不大于1.5fA,所以我也不会去试。

另一方面,我并没有认为所有的电流源都是理想的。我当然也是认为内部输入电阻和外部源的内阻要匹配才合适,这就是我为什么把R5和Rf都选成一样的原因。
信号源的内阻我们往往不能去选择,但实际上内阻都是很大的,我们能做到的,是用Rf去匹配信号源内阻。
至少,吉时利是这样认为的,他的最好的静电表6430,burden电压也就是1mV:

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 楼主 | 2011-7-5 18:06 | 显示全部楼层
哇,非常详细,赶紧珍藏。。。
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另外能否介绍一下测微弱电压的问题呢? ...
youku 发表于 2011-7-5 07:16

谢谢!
但微弱电压的测试我不在行。我认为,微电压与微弱电流是两个不同的概念,需要用到的方法相差太远。但无论如何,测量的方法并非是吸取最大功率。微电流一般也要短路测试才好,而微电压也要尽量开路测试,少从被测电路中吸取功率。知道国际上微电压做的最好的是谁吗?是EM,其代表作是N31,可以参考一下。我有个朋友淘了其老一代的N2a,高兴得不得了。
 楼主 | 2011-7-5 18:12 | 显示全部楼层
楼主在时间基准电压基准摄影等方面投入的时间精力和金钱已经远不是业余了,就算一般专业人士也难望其项背吧。
hartcomm 发表于 2011-7-5 12:36

那些哪能叫投入啊,只能说是消费。
只有花销,没有回报,所以,还是业余的。
不过,我没有别人给我布置任务,更没有压力,有啥结果我也可以随便公布。
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