[疑难问答] 微小电流检测-nA级

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51xlf 发表于 2025-8-17 22:49 | 显示全部楼层 |阅读模式
微小的电流测量,这个测量的限度在哪里呢?对于科学永无止境,但是对我来说,有尽头,目前是nA的级别,再往高噪音问题可能就有点难了。






首先给出这个数量级别,别迷失了自我
我看了这么多文章和试验,归结出来一些步骤和难点。另外之前还有一篇:小电流测量杂谈,这篇文章呢,其实现在看,确实是不咋地,建议别看。前面的部分思路不对。
现在的微弱电流测量呢,就是俩派,积分派和反馈电阻派。






这是苏医所的一个文章里面的框图,这里面就是积分派






但是OP使用的是ADA4530,但是看这里实物是电阻派
但是这里我要多嘴一句了,这个模块怎么看着:






hhhh,不是他撒谎,就是我看错了






这里写的和上面的内容有点重复,但是请再看下。
!!!这个点老师可以说是真的是老师傅的看法了,CSDN有个文章,是淘宝康威电子的文章,里面电路有一段是T型法。
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。说的太好了!!!
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。






在这里
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。






看见了很多奇奇怪怪的运放


















然后就是在放大的过程中,一级放大很多倍有点不现实,一般都是设计成多级放大,然后唐老师的课中意思是设计一个差分电路来获取这个值,不过是前面两个端口为G=1的缓冲。
在我没有完全用数学理论证明好以前,我的所有话都是要自我批判的:
他的这个前提是使用4线法测量电阻,后面再说。其实是测量小电阻的做法,不过现在是测量了电阻两端的电压。






笔记记录的比较乱,大概就是这样
剩下的内容其实就是PCB的布局和器件的选择和使用上了,因为这么小的电流,任何一个支路的电流都能影响到最终的结果。
剩下的问题其实是更严重的事情,测试,和标准的校准用的源,我的意思是,你至少要有一个可以输出1nA的电流源来测试我的机器是正确的。
这个是ADI推荐的一些电路






完整的测量






一般来说,都是两级放大的,前级的运放就负责IV转换






这里的内容是所有的书里面都要说的内容,就是这个漏电流的保护,但是我一直没有找到合适的解释,但是下面这个解释我觉得还可以,后面也给出了为什么要输入源的电阻尽可能小的解释。






图程守洙《普通物理学》第二册93页
在普通物理中,我们又学习过:静电平衡状态下,空腔导体外面的带电体不会影响空腔内部队电场分布;一个接地的空腔导体,空腔内的带电体对腔外的物体不会产生影响。 这种使导体空腔内的电场不受外界的影响或利用接地的空腔导体将腔内带电体对外界的影响隔绝的现像,称为静电屏蔽。






图02
对前一句“静电平衡状态下,空腔导体外面的带电体不会影响空腔内部队电场分布”,可以用图(02)来举例表示。
图(02)空间中原没有空腔导体,但有一个匀强电场(电力线彼此平行)。然后我们在此空间中放入内部并没有电荷的一个空腔导体,放入后电场变形,如图(02)。
在图(02)中,我们看到:空腔导体外面的电场不再是个匀强场,电场变了形。电场变形,是因为外部电场使得空腔导体上电荷重新分布,直到这些电荷不再受到电场力为止,如图中红色和蓝色符号所示。空腔导体上这些电荷的移动,产生了一个新的电场(图中未画出)。
这个新产生的电场和原有的匀强电场叠加,一方面使得原有的匀强电场变形,另一方面使得空腔导体内部电场为零。空腔导体内部电场为零,很容易从空腔导体上电荷受力为零得到证明。当外部电场不是恒定电场而是交变电场时,空腔导体内部电场为零这个结论不复成立,因为空腔导体壳上电荷的重新分布需要时间,不可能立即达到平衡。但只要频率不是太高,空腔导体上电荷的重新分布所需要的时间就可以忽略,空腔导体内部电场为零这个结论依然近似成立。实际上,如果导体壳不是薄到纳米数量级,频率即使高到数十GHz,空腔导体内部电场仍然是非常小的。图(02)中下划蓝色线的那一句“一个接地的空腔导体,空腔内的带电体对腔外的物体不会产生影响”,同样是仅在静电场情况下才成立。如果空腔内的带电体在运动,






图(03)
图3-带电体在作高速回转运动,则带电体的运动对空腔外有影响,同样是因为空腔导体上的电荷重新分布需要时间。但和下划红线部分一样,只要频率不是太高,内部带电体对空腔导体外没有影响这个结论依然近似成立。但需要注意:此结论仅在空腔导体接地时才成立,若空腔导体未接地,那么空腔导体内部带电体仍然会对外部产生影响,即使是在静电情况下。
上面这些内容就够了,来看这个:






图上那样的形式,就可以看得很清楚。干扰信号经电容器C和电阻R分压,R上分得S信号电压的一部分。
C越大,R越大,R上分到的电压就越大,反之则越小。对同样的C和R,频率越高,R上分得的电压越大。这正是高频电场干扰往往较强的原因。
从以上叙述看,受干扰设备输入端阻抗越低,也就是R越小,越不容易受到电场干扰。是不是这样呢?确实是这样的。电子设备输入阻抗越低,越不容易受到电场干扰。但是,低阻抗设备可能更容易受到磁场干扰。
另外就是对这个输入端的保护也很重要,就是这个三轴电缆好贵,我没买,但是在原理上面可以小小的探索一下。
三轴电缆的另一个应用是用于进行精确低电流测量的探头,其中通过芯线和屏蔽层之间的绝缘体的泄漏电流通常会改变测量结果。核心(称为力)和内屏蔽(称为防护)通过电压缓冲器/跟随器保持大致相同的电势,因此它们之间的漏电流在所有实际用途中都为零,尽管存在缺陷绝缘。相反,漏电流发生在内屏蔽和外屏蔽之间,这并不重要,因为该电流将由缓冲电路而不是被测器件提供,并且不会影响测量。该技术可以几乎完美地消除漏电流,但在非常高的频率下效果较差,因为缓冲器无法准确跟踪测量的电压。






三同轴在低噪声测量中的作用是通过保持内部导体与其周围的保护层处于相同电位来消除导体的电阻效应。











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