图解DIY 1pA超微电流测试器

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楼主: lymex
| 2011-7-5 22:07 | 显示全部楼层
理想与现实的距离往往比想象的远得多.

大悟总是从碰壁开始的.

静水的下面有时会有深渊.

LZ的兴趣和热情,还是要支持!

彭建学  上海

评论

magic_yuan 2015-9-30 17:25 回复TA
说得好 
 楼主 | 2011-7-5 22:08 | 显示全部楼层
23、微电流测试仪有什么用?
微电流测试仪用途其实很多,例如微光测试、半导体器件漏电流测试、超高阻测试、电容漏电测试、绝缘材料测试、静电领域应用、各种研究。

我简单做了一些样品,测试了在较低电压下的漏电,结果发现,很多绝缘材料的漏阻差别比较大,有的不到1T,也有的比1T高很多。另外,很多材料有介质吸收现象,表现为读数非常不稳定,电阻读数为负(即自身释放电荷)。

A、3.9pF的磁介质电容,5E13欧
B、20pF独石,>1E14欧,有介质吸收现象
C、某9014三极管,bc节反向0.08pA,be节反向0.03pA
bc节正向0.1V时0.8pA,be节正向0.1V时0.6pA
D、某5类双绞线,>1E14欧,有介质吸收现象
E、某6类双绞线,5E12欧
F、普通双线,1E11欧
G、老式单联可变电容,介质吸收现象严重
H、电位器,外壳与电阻之间,5E11欧
I、电路板相邻走线,有焊接松香时1E11欧,清理后1E13欧,酒精清洗后5E14欧

以上,除注明外均为加上1V电压的测试结果。可以看到,常见的绝缘材料的电阻是非常高的。
当然,还有一条很明显的规律,也许太明显了,并不引人注意。这就是,越高阻的东西,就越需要小电流。换句话说,越小电流的东西,越只能测试超高阻。在电压高较高、电流超级微小的场合下,被测试的电阻只能是超高电阻。


除了这些应用之外,这里再说两点简单的、本身相关的:
a、测试运放的Ib;
Ib可以用这种电路自测,即先采用小的Rf直读Vos,然后再用大的Rf得到Ib=V/Rf-Vos,如果Ib比较小,Rf可以用到比较大,甚至1T。
Ib也可以用积分法测试,就是只用Cf不用Rf,这样就是一个积分电路了,用输出电压上升率来求得Ib。
http://www.national.com/rap/Story/0,1562,4,00.html

这种做法的麻烦之处,就是需要一个尖端为特富龙的金属按棒经常对积分电容短路。


b、测试超高阻作为Rf在mV级别电压下的表现(阻值、电压系数、介质吸收现象)。
超高电阻特性往往很特殊,测试高阻时往往用高电压。但恰恰很多高阻在低电压下有用场,但表现完全不同,而低压和高阻势必需要极微电流的测试。以下这个10T在低压下的表现就不好:

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| 2011-7-6 00:02 | 显示全部楼层
从hellocq到广坛到38hot再到21ic等等论坛一直见到lymex的身影,lymex详尽的公布他的制作、心得、不厌其烦的回答和探讨,让人获益匪浅,在21ic上少有人如此做到,lymex写了一系列电压电阻时间基准计量等方面的文章,详实,细致,让很多人动起手来,走近高精度基准高精度测量,lymex这样获取他的声望。相比于其他不少高手或夸夸其谈或滴水不漏或故作神秘和夸大甚至‘恫吓’新手却步使得自己来走上神坛来获取名声大不相同。很惭愧,在各个论坛上自己获取过不少,但却没有贡献过什么,一是水平有限,二是处于私心,因为可能要靠这糊口。 当然,lymex已经不处于这种低层次的需求,在其他方面,lymex已经获取了相当的物质基础来足以支持他更高的层次的追求。

自己也有一直有写一些东西的想法,当然不一定是技术方面的,以前写过一点儿,对自己却有很大帮助,能够整理思路,促进去解决问题。希望自己也能够写些东西。能够与别人分享心得真是件乐事。

从这个帖子上可以看到,lymex写的如此之详细,器件、材料、工艺、资料、实测参数......  只能再帮顶一下。
| 2011-7-6 00:32 | 显示全部楼层
想请问下LZ,这个82楼的电流缓变的图是什么软件生成的呢?
| 2011-7-6 00:42 | 显示全部楼层
http://bbs.21ic.com/frame.php?fr ... .com/iclist-78.html
很久就看到这特贴子了。
我觉得这两个帖子的质量都很高。
但是本楼楼主公布了制作过程的一切的一切,这点相当可贵。
撇开技术不谈,楼主的精神最让我佩服。

彭建学老师的水平必然也于Lymex不相上下。
要是你们俩来个华山论剑就好了。
必为21IC的一段佳话。
 楼主 | 2011-7-6 17:34 | 显示全部楼层
从hellocq到广坛到38hot再到21ic等等论坛一直见到lymex的身影,lymex详尽的公布他的制作、心得、不厌其烦的回答和探讨,让人获益匪浅,在21ic上少有人如此做到,lymex写了一系列电压电阻时间基准计量等方面的文章, ...
hartcomm 发表于 2011-7-6 00:02

谢谢,过奖了。
主要是好奇,另外分享的确是一件乐事。
| 2011-7-6 17:34 | 显示全部楼层
有几天没看这个帖子了。说一下工艺方面的经验:个人或实验室在搭建这类电路的时候并不容易控制PCB的离子沾染程度,在气候或时间变化时容易引起性能漂移。当时的做法用不锈钢管把电路装在里面,端盖使用螺纹并且加上橡胶密封圈。引出端子使用电真空专用端子。烘烤除湿加入蓝色硅胶旋紧端盖。如此电路的环境基本不变了,性能漂移可以预期(主要是温漂)。那个质谱计有时候需要连续工作好几个月,中间不能停机的,这样处理后就没有遇到过气候引起的故障。电路方面的原理LZ讲的比较多了,赞一个。
 楼主 | 2011-7-6 17:39 | 显示全部楼层
想请问下LZ,这个82楼的电流缓变的图是什么软件生成的呢?

youku 发表于 2011-7-6 00:32

首先要把数据采集下来。我这次用的是带有MicroSD卡的手持万用表,是mengxin DIY的,测试的数据可以同时保存在卡里,包括日期时间、量程、数值等。采集下来的是.csv后缀文件(逗号分隔的文本文件),直接可从Excel读入,然后用Excel做出折线图。
在47楼可以下载data2.rar,里面就是这样采集下来的Excel表格,同时也类似做了图。
| 2011-7-6 18:30 | 显示全部楼层
再次看这个贴,再顶!
 楼主 | 2011-7-6 18:34 | 显示全部楼层
24、德国的微电流板分析
该板的原来用途不详,但为一个独立的前端,输入为一个插座,常见的万用表笔的插头插不进去。输出为9针口。



经静态分析,为2级I-V转换,前级运放用了Ib<10fA的ICH8500A,后级为741,反馈电阻用了30G,反馈电容470pF。电路图如下:


实测,零点和100fA输入时噪声很小,不到1fA。本来在1Hz带宽下30G电阻的噪音就有1.3fA了,但这里Cf用的很大,带宽只有0.018Hz,算下来理论噪音只有0.1fA,因此理应可以做得更好。Cf取得过大,也造成相应速度慢。

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| 2011-7-6 20:56 | 显示全部楼层
继续珍藏。。。
印象中好像哪里看过高深莫测的论文:即使噪声淹没了信号。。。提取也是有可能的,
好像是。。。太高深看不懂。。。全是不认得的公式。。。

是这样吗?或有这种可能吗?
| 2011-7-6 21:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 hartcomm 于 2011-7-6 21:22 编辑
继续珍藏。。。
印象中好像哪里看过高深莫测的论文:即使噪声淹没了信号。。。提取也是有可能的,
好像是。。。太高深看不懂。。。全是不认得的公式。。。

是这样吗?或有这种可能吗? ...
youku 发表于 2011-7-6 20:56


完全不高深啊,高中数学就能描述的清。比如信号是已知的周期性的信号如正弦,可以使用同频信号进行解调出来(乘法再积分),因为噪声与信号不相关,相乘再积分之和为0,只有信号能被提取出来。如果是直流信号先变为交流,比如弱直流信号放大中有个斩波放大就是这个道理。先把直流斩波为交流。再同步解调。
这个版上以前有讨论这个的。

楼主提到的 日本人写的《测量电子电路设计模拟篇》,还有一个滤波器篇,在后面讲了这个。
 楼主 | 2011-7-6 22:34 | 显示全部楼层
直流信号被噪音淹没,还真没有啥太好的办法。因为噪音是无规则的,尤其是包含了1/f噪音的,越低频的噪音就越大,而超低频噪音是不能用RC方式滤掉的。因此,直流测量的灵敏度,一般都定义成噪音有效值的2倍。当然,噪音是有带宽做条件的,带宽越窄,噪音就越低。也就是说,要想提高灵敏度、减少噪音的影响,可以把测试时间加长。万用表里经常采用另一类等效的办法,就是使用各种数字滤波,例如简单的移动窗口法,看起来是每秒仍然得到一个数据,但实际上每个数据是前面10秒的平均。也正因为这个原因,测试各种表的噪音,都必须把滤波关掉。
| 2011-7-7 09:05 | 显示全部楼层
LZ的微电流计是用来测直流或是低频电流的,有时候需要测量的信号是交流小信号,例如质谱是电流脉冲,相位式激光测距是几KHz的交流信号(多数的光电传感器都这样),信号在nA级别,但是会伴随uA级别的直流电流。这种时候可以用T型电阻结构来构造微电流计,76楼有T型电阻的结构(发帖少不会贴图:loveliness:)把那个R2再串联一个电容到地就可以在频响曲线上制造一个极点,可以通过仿真把极点调整到和信号匹配,直流I-V转换阻值也可以做的较小,可以同时把直流分量及交流分量都调整到适合测量的范围。
 楼主 | 2011-7-7 11:13 | 显示全部楼层
LS所言极是。
越小的信号,由于理论信噪比的限制,就只能用更长的时间来测试。如果测试的是nA级别的信号,那频响就可以高出很多,尤其是uA级别的信号,可以采用T型网络。
在这里讨论的1pA信号检测,是很不适合采用T型反馈网络的。
| 2011-7-8 06:35 | 显示全部楼层
即使噪声淹没了信号。。。提取也是有可能的

电工的许多工作就是干这个的. 上面的电路难点在非常微弱电流的提取.
| 2011-7-8 16:40 | 显示全部楼层
找了一段时间制作弱电流放大器的文章了,都没有楼主这篇文章来的详实。原以为这篇文章是几年前的。一看时间还是现在的。在现在这个“你死我活”为自己藏着掖着的年代,向LZ这样的有奉献精神还是第一次看到。向楼主致以崇高敬意。
另想请教LZ,需要由测1pA级放大器的信号做为反馈源控制一个电子快门,又要考虑实时性,用什么方法好呢?
请谅解本人才接触弱信号测量,听说弱信号测量准确是以牺牲测量世间为代价的。但不知道这个慢能慢到什么程度,比如每秒采样5次,反馈能跟的上吗?还有能否推荐一些用锁相环放大的资料,谢谢。
邮箱:dmn3679@126.com
| 2011-7-8 21:11 | 显示全部楼层
来学习的,感谢楼主公布这么详实的资料,难能可贵啊
 楼主 | 2011-7-9 07:38 | 显示全部楼层
回97楼,1pA的信号,每秒采样5次,那就是0.2秒一次,可以的,但也有难度。
这么算一下:1pA的电流对20pF的电容充电,0.2秒能充上10mV电压。
仍然可以采用这种典型的I-V电路,反馈电阻可以用10G,这样有1pA就是10mV,鉴别5mV的电压就可以。但Cf要选得合适,一般要通过试验确定,以便提高响应速度。
锁相放大的东西,本人不熟悉。
| 2011-7-9 09:04 | 显示全部楼层
谢谢lymex 的回复,按照LZ 的典型电路做了仿真实验,分辨1fA效果线性也很好,准备实际动手做一个。
另外,1pA的电流对20pF的电容充电,0.2秒能充上10mV电压 这是怎么计算的,帮科普一下好吗?
还有  我想用这个典型电路做光信号前置放大,但是光路中有个斩波器,频率0-1kHz。不知这个电路怎么改可以满足需要,或者要注意什么?
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