图解DIY 1pA超微电流测试器

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楼主: lymex
 楼主 | 2011-7-9 11:28 | 显示全部楼层
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。
| 2011-7-9 18:00 | 显示全部楼层
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?
| 2011-7-9 19:54 | 显示全部楼层
能整理一下做成pdf就完美了:lol
 楼主 | 2011-7-9 21:51 | 显示全部楼层
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。
 楼主 | 2011-7-9 22:11 | 显示全部楼层
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(文章: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:
http://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,我只见有两篇文章明确提到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。

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| 2011-7-9 22:26 | 显示全部楼层
先收藏着,留需要的时候再认真拜读
| 2011-7-10 00:13 | 显示全部楼层
谢谢,这将是我这些入门级学习弱电流测量的的经典之作。
 楼主 | 2011-7-10 07:57 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2011-7-10 08:26 编辑

26、如何测试低频噪声
低频噪声一般指0.1Hz到10Hz范围内的噪声,这个频段的噪声对常见的测试测量有很大的影响。
传统测试运放、基准等的噪声,是用运放接成100倍或1000倍的放大电路,滤波后用示波器观察10秒,这样就可以得到噪声曲线,求得峰峰值等,以下两图分别来自运放OP07和LT1001:



当然,如果信号能够采集下来,那我们就可以直接计算了,无论是电压信号还是电流信号。不过,由于采样频率的限制和与日常观察的习惯保持一致,往往我们更希望能看更低的频率和更长的时间,所以一般不是每秒采样10次、采集10秒,而是每秒采集一次,采集很多,然后找到有代表性的100个数据进行计算。计算方法大体有三种:

A、求峰峰值。对于采集下来的数据这个很容易,就是求一下最大值,再减去最小值即可。只取100个连续采集值与99%的法则相符(可以认为1%是粗大误差被剔除的)。这种方法简单,但偶然性大一些,毕竟结果只是两个单点测试之差。

B、求标准差。标准差在Excel里的表达为stdev(),也叫均方差,公式是:


由于绝大多数噪声信号都是高斯概率密度函数(正态分布),因此标准差就是噪声的有效值(rms值)。
由于每一个测试结果对标准差都有贡献,因此标准差就比较全面的反映了全体测试值的综合结果。另外,有效值与峰峰值,一般是5到6倍的差异,吉时利在其低电平手册里采用5倍。我在47楼的附件表格里,就是用这样的计算方法得到0.29fA噪声的。


C、求阿伦方差。缓慢变化的信号可认为不是传统的噪声(例如温漂和热电动势的影响),至少不在0.1Hz到10Hz的频谱之内,在传统的硬件观察中,由于有滤波的作用排除了缓慢变化信号,但数字采集后这种缓慢的变化会干扰标准差的计算。此时采用阿伦方差就可以排除缓慢变化的影响。当一组数据没有缓慢变化的现象时,标准差和阿伦方差的计算结果是吻合的。标准差的计算涉及到每一个值与平均值的差异的平方和,而阿伦的方差是计算相邻值的差的平方和,因此才可以排除缓慢变化信号的干扰。


最后,噪声的合成,并非直接相加,而是各噪声平方后相加,再开方。例如3uV的噪声与4uV的噪声叠加后不是7uV,而是5uV。无论采集还是直接观察,可能会引入测试仪器和采集器本身的噪声,可以通过自测零点噪声的办法,利用这种合成公式,把本底噪声减去。

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 楼主 | 2011-7-10 10:48 | 显示全部楼层
27、微电流下一步
根据这段时间的测试对比,感觉进一步提高灵敏度、降低噪声的障碍或瓶颈为如下二个因素:
A、高阻。由于采用100G的时候已经达到理论极限,因此高阻是最大的瓶颈
B、运放。主要是Ib和噪声,近一步提高灵敏度的时候也许受限。


由于高阻成为瓶颈,那做法非常简单,继续采用更高的反馈电阻,1T、10T,甚至100T。
1T的我有几只红皮国产的,试验了一下效果还不错,比日本的RH3和RSC的1T都好。
10T的我也有两只瓷管的,但介质存储效应很大


100T的见有别人买过,的确有生产的。国家标准,国外文献均有介绍


把Rf用1T替换后,测试零点,噪音达到了惊人的0.2fAp-p,也就是40aArms:


对比一下,吉时利最好的静电表,也不过是0.4fAp-p(此图来自6432的介绍资料)



改善超高阻的另一个方面,是稳定性。最好的超高阻,是用氧化钌材料制作的,温漂、时飘、电压系数都比较理想,当然价格较贵。有了这样的高阻,就可以把仪器的“精度”做得比较高。


前面已经看到,LM6062的噪声的典型值为0.2fA(1Hz下),相当于350G高阻的噪声。因此,Rf增加到1T时,这部分噪音就很可能成为主导的。幸好实际测试下来这个运放的等效噪声在1T左右。
LMP7721是NSC最新的静电运放,号称业界Ib保证值最小,电压噪声指标8nV/√Hz也是相当小的,唯一问题是电流噪声指标为10fA,显然是错误的:


大部分静电运放的噪声电流均为0.1到0.2fA/√Hz之间,而新型、低噪音的7721怎么能一下子高出几十倍?因此我认为应该是0.1fA/√Hz,等价为2.5T的电阻的噪声。
另一方面,超高的Rf也将因Ib而产生压降,例如5fA和1T将产生5mV的输出,所以也应该选取Ib尽可能小的。

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| 2011-7-10 22:33 | 显示全部楼层
lymex把这些整理下再丰富下,出本书,一定是本经典之作....

其实近10年来,从书店的书的质量,可以感觉到行业的进步,期待lymex再添一砖。。。
 楼主 | 2011-7-10 23:11 | 显示全部楼层
其实这种东西适合整理成pdf文档(彩色的)。要是出书,图片就小了,色彩也没了。
我唯一想写的书是“高精度电阻”,篇幅大约为这里的10倍左右。
 楼主 | 2011-7-10 23:20 | 显示全部楼层
28、参考书



A、OP放大电路设计
这本书在131页给出了一个1pA I/V转换的例子,用了ICH8500A,有Rf和Cf组合表(例如Rf=1T时Cf=2pF),并利用杂散电容法制作了Cf。随后的一节是“微小电流的测定技术”,比较实用。此书的缺陷是没有任何理论知识做指导。


B、OP放大器应用技巧100例
本书第4章为“微小电流OP放大器的应用技巧”。有静电运放的比较、Ib的测量、防漏电技术、相位补偿、输入保护、线缆选择、噪声的计算等,内容丰富翔实。通过一个实例的计算,得到了噪音主要由Rf引起、I-V转换电路Rf应该尽可能大的结论。最后,讲述了静电消除方法。


C、从OP放大器实践电路到微弱信号的处理
其中50页“前置放大器的实装技术”比较有用(50楼最后一图),49页给出了反馈电阻-大电阻的选择,但恰恰书中推荐的RH2HV电阻,我测试了几个都很不好。44页通过实际计算得到了发馈电阻越大越有利于S/N比的结论。


D、微弱信号检测
居说是比较经典的一本书,但理论描述的多,我懒得看。实际例子极少。


E、日本电子电路精选
这本书出的比较早,以前参考的多,感觉每一个电路都设计的很细致。在此处,可供参考的一个是7-3的I-V电路,包括量程转换和偏流补偿的整体;另一个是16-11 微小电流发生器,共地方式的。如果把运放换成低Ib的同时提高电源电压,就可以用于pA级的电流发生。


F、低电平测量手册
这个不用多说了,吉时利公司经典之作,弱电测试者必读。第6版,中文版


G、静电实用技术手册
里面有一些静电相关的测试方法和设备,包括低达1E-17安电流的设备(FJ-2700,262厂生产)。经查,FJ-2700的测试能力是1E-16安:
http://www.xa262.com/Nshow.asp?Thex=675&CLa=187

H、最新集成电路300例
最有用的就是一篇用高阻反馈的I-V转换电路,用了1T等4只电阻,运放采用Ib<10fA的3430K,并给出实际装配办法。


I、电磁学计量(上、下册)
涉及直流电压、直流电流、直流电阻的计量和校准方法。

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| 2011-7-12 11:23 | 显示全部楼层
珍藏拜读..
| 2011-7-12 19:06 | 显示全部楼层
问个简单问题,C4在电路里起的主要作用是什么?
滤波?积分?
通常应该注意什么问题呢?
| 2011-7-12 20:46 | 显示全部楼层
非常好!
刚好要做一个NA级的,参考下!
 楼主 | 2011-7-12 23:00 | 显示全部楼层
问个简单问题,C4在电路里起的主要作用是什么?
滤波?积分?
通常应该注意什么问题呢?
ffxb 发表于 2011-7-12 19:06

C4是进行相位补偿的,防止振荡。
实际电路中,例如进行光电二极管放大,或者用电缆输入,都会引入一定的并联电容,使得相位滞后,容易振荡。而引入C4后,形成相位超前,可以补偿。如果C4过大,形成过补偿,也有积分作用,响应时间加长、噪音下降。
| 2011-7-13 20:37 | 显示全部楼层
继续呀。。。lymex老大。。。翘首以待地望眼欲穿中....^_^
| 2011-7-13 20:37 | 显示全部楼层
哦,都参考书啦,难道没啦....
 楼主 | 2011-7-13 21:07 | 显示全部楼层
还有三段:参考电子文档、参考设备、后记。
这几天忙,等会更新一下。
| 2011-7-13 21:35 | 显示全部楼层
本帖最后由 ffxb 于 2011-7-13 21:40 编辑

116# lymex
那么c4的调整应该很困难吧,比如不同特性的光电二极管或不同长度的引入线,这些不定因素的匹配有什么好的经验吗?
还有,我最近想做一个光电二极管的前置电路,可是它有多种输出方式,比如电流型,光导型,电阻型等,能否推荐一些好的前置电路吗?谢谢
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