图解DIY 1pA超微电流测试器

只看该作者 · 2011-7-6 17:34

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**， ...
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。

只看该作者 · 2011-7-6 17:34

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。

只看该作者 · 2011-7-6 17:39

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。

1万 · 2011-7-6 18:30

再次看这个贴,再顶!

只看该作者 · 2011-7-6 18:34

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。

只看该作者 · 2011-7-6 20:56

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？

只看该作者 · 2011-7-6 21:15

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。

只看该作者 · 2011-7-6 22:34

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。

只看该作者 · 2011-7-7 09:05

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。

只看该作者 · 2011-7-7 11:13

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。

1万 · 2011-7-8 06:35

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.

只看该作者 · 2011-7-8 16:40

找了一段时间制作弱电流放大器的**了，都没有楼主这篇**来的详实。原以为这篇**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

只看该作者 · 2011-7-8 21:11

来学习的,感谢楼主公布这么详实的资料,难能可贵啊

只看该作者 · 2011-7-9 07:38

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。

只看该作者 · 2011-7-9 09:04

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？

只看该作者 · 2011-7-9 11:28

回楼上，计算很简单，公式是Q=C×V=I×t
Q=电荷，库仑；C电容，法拉；V电压；I电流；t时间。
斩波频率如果比较高，那就不哟个考虑，这个I-V相应时间慢，自然有平滑作用。

只看该作者 · 2011-7-9 18:00

好像我的问题没有问清楚。
我是说，如果用典型电路做前置放大，后级采样每秒5次。电路的反应可以跟上吗？
另想请教R3、R4、R5在电路里的作用是什么呢？

只看该作者 · 2011-7-9 19:54

能整理一下做成pdf就完美了:lol

只看该作者 · 2011-7-9 21:51

好像我的问题没有问清楚。
我是说，如果用典型电路做前置放大，后级采样每秒5次。电路的反应可以跟上吗？
另想请教R3、R4、R5在电路里的作用是什么呢？ ...
ffxb 发表于 2011-7-9 18:00

可以跟得上，但R7要选10G，C4要试验确定。
R3、R4、R5在电路里的作用，第一帖里有描述，复制如下：
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。

只看该作者 · 2011-7-9 22:11

本帖最后由 lymex 于 2011-7-9 22:12 编辑

25、DIY 1pA的对比和总结
首先，看一下微电流标尺，到底1pA是什么水平：
1uA，-6次安培，开始进入弱电流领域。其实1uA还是相当大的，即便在常见50uA满度的模拟表头上，1uA仍然有偏转。
1nA，-9次方，进入微电流领域。很多半导体材料的反向漏电流就是这个区域附近。不过，1nA的电流放大起来还不算很难。
1pA，-12次方，进入超微电流领域。较好的绝缘材料的漏电流，较好的半导体的反向电流都是在1pA周围。测试1pA需要一些挑战了。
1fA，-15次方，这个电流非常微小了，1fA只相当于每秒6000多个电子。从半导体材料上看，PN结的漏电已经远超这个范围，只有例如MOS管的绝缘栅的漏电才可以突破这个水平。从绝缘电阻上看，还是有不少好的绝缘材料在不太高的电压下漏电低于1fA的，例如特富龙、蓝宝石、某些聚合物。因此，在测试绝缘材料的时候，是有必要分辨到1fA甚至更小的。测试1fA是非常有挑战的，绝大多数商品的静电计，其噪音本身就是1fA水平附近的。
1aA，-18次方。1aA只有每秒6个电子，太极端了，只见过吉时利利用超长时间的测试，取得过小于1aA的噪音（**：Counting Electrons）。当然，10aA甚至是100aA，也可以认为是aA级别的。

其次，做一个噪音对比表格

横轴是带宽，Hz；纵轴是噪音的有效值，单位fA。曲线或点的位置越低，则噪音越小。
斜直线是一些高阻的等效热噪音，可见电阻越大电流噪音越小、带宽越窄电流噪音也越小。
也把两个运放的电流噪音画了进去，LMC6062相当与350G的电阻的噪音，而LMP7721大约相当于2.5T。
Pengjianxue的1pA电流噪音峰峰值为0.1pA，因此噪音有效值是20fA，大约等价为100M电阻的热噪音：
https://bbs.21ic.com/viewthread.php?tid=129933

王卫勋的1pA，噪音小到了2.9fA：
http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10700-2008035983.htm
由于采用了1G的电阻和470pF的反馈电容，带宽0.5Hz，取得了2.9fA的噪音，已经达到1G电阻的理论极限。

我的测试器由于采用了100G的电阻和4.7pF的反馈电容，带宽0.5Hz，噪音有效值实测0.29fA，也已经达到理论极限。

Keithley 目前主推的静电计6517，噪音峰峰值小到了0.75fA（对应0.15fA有效值），但采用了数字滤波，等价减少了带宽，实际内部采用100G的电阻。

Keithley 著名的创纪录的642静电计，电流噪音0.08fA，也标在图上，与所用的1T反馈电阻的理论噪音项匹配。

下一步，我将采用1T甚至更高的电阻，同时适当减少带宽，电流噪音也将低达0.06fA，甚至更小，真正进入aA领域。

我的这种DIY，其实没啥神秘的，用的是成熟的电路、公开的技术。能做到噪音低于1fA，原因主要有三条：
1、简单
2、用了100G超高阻。
3、用了合适的运放LMC6062A（或者LMC6042A）。
100G这种阻值的超高阻，绝大多数人想都不敢去想，认为噪音太大。国内大部分文献均陷入T型反馈误区中，我只见有两篇**明确提到I-V法必须加大Rf的。一个是胡勇等在“一种用于生物传感器的微电流检测系统”一文中：

另一个就是王卫勋在他的论文里：

只不过限于条件，反馈电阻只用了1G。他的反馈电容用了470pF，算下来带宽0.53Hz，因此电流噪音理论峰峰值是14.8fA。至于他为什么声称取得了10fApp的噪音，低于理论值，我想是因为采样时间比较少、存在偶然因素造成的。另外，他并没有意识到他的DIY已经达到了理论极限，或者说1G电阻成为他的DIY的瓶颈，否则他会千方百计增大电阻的。

100G的高阻，也很少有人听说过，即便见到实物都不知道是什么。例如有个老外找到了一个著名的Dale的M51高阻，发贴问是什么：
http://forums.overclockers.com.au/showthread.php?t=636072

明明就是个300G的高阻，但大部分人回答错误，只有一人回答正确。
事实上，商品的微电流计早就一直在使用100G，甚至用到1T，为什么我们不能用？当然，高阻很难做好，生产厂家很少，生产测试成本高，最后价格也贵，这是高阻不足的地方。

至于运放，无论LMC6062还是LMC6042，均为廉价低功耗双运放，然而其Ib典型值低达10fA和2fA，没见典型Ib比2fA更低的了。国半的典型指标，大多都能满足的。

综合起来看，pA电流测试就是一层窗户纸，一捅就破。我相信，我们中的任何一个人，只要具备了一定的动手能力，按照要求选择了合适的元器件和方法，也一样会做出同样的飞安测试器来。

图解DIY 1pA超微电流测试器

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