回顾经典:爱好者的1pA超微电流测试器
虎哥 2021-5-10 仪器仪表

lymex(BG2VO)在十年前发布了多达上百个基本电学仪器DIY经历,几乎每个都从原理、设计、DIY过程、参考资料、制作感悟、理解方法等方面进行了深刻且毫无保留的阐述,为广大爱好者和职业工程师留下了宝贵的学习素材。其数量之多,细节之详,罕有超越者。

最近,lymex的这篇文章被一些公众号翻出来推热度,且未署名。传播知识当然是好事,只是看到新推出来的精简版有些感叹,简中互联网堕落成这个样子,像这样开诚布公的分享,已经极难见到了。

弯道超车谈何容易,许多技术需要理解和传承,光靠书本是不够的,需要基于真知灼见的交流和体会,得有这样的土壤。

希望当年承载这些文章的平台,尊重作者的劳动,认真维护网站,不要丢图片、丢附件了,再丢就没有了。

相关制作:https://www.kechuang.org/t/85499 

温馨提示:下文中关于宇宙射线(粒子事件)的判断方法可能是错误的,请谨慎采纳。

以下内容为转载,作者lymex。

目录

00、前言
01、电路图及说明
02、仿真
03、准备材料、元件
04、元件布局
05、制作输入隔离岛
06、输入岛岛芯的制作
07、元件安装和焊接
08、反馈电容制作
09、安装完成
10、初步测试
11、初步采集
12、运放的说明
13、超高阻的说明
14、数据采集的说明
15、用微电流源进行测试
16、如何衡量一个微电流测试器的好坏
17、商品微电流测试仪都是怎么做的?
18、热电动势和噪音
19、测试温度系数
20、宇宙射线?
21、微电流测试的误区
22、学习微电流检测技术的一种方法
23、微电流测试仪有什么用?
24、德国的微电流板分析
25、DIY 1pA的对比和总结
26、如何测试低频噪声
27、微电流下一步
28、参考书
29、参考文章/电子文档


00、前言
微电流在探索、测试、研究领域,用途广泛,是打开电子测试微观领域的一把钥匙。人类探索微观电流世界的过程从pA级到fA,再到aA,现已经进入单个电子时代。
人们往往认为,DIY一个1pA测试器是需要经历巨大挑战的。本文试图说明,通过适当的方法和传统而简单的成熟技术,不仅可以很好的解决了测试1pA的问题,同时可以把测试下限做到1fA以下,进入aA领域。(本文创作于2011)
01、电路图及说明
用电池供电,微功耗设计;
电池选9V,用低压差低功耗的HT7150三端稳压成5V,自耗电<4uA;
然后用双运放的一半,把5V分成±2.5V双电源,这部分耗电<22uA;
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。这部分耗电5uA;
最后,双运放的另一半接成经典负反馈I-V转换电路,这部分耗电16uA;
运放采用LMC6062AIN,很便宜的东西,典型Ib=10fA,典型Vos=100uV,耗电32uA;
运放也可以用LMC6042AIN,很便宜的东西,典型Ib=2fA,典型Vos=1000uV,耗电20uA;
R6提供保护,不至于因偶然输入过压而导致运放损坏;
R7是反馈电阻,C4是反馈电容,用于抵消输入电容的影响,提高响应时间,同时也与R7一起提供一定的时间常数。
合计耗电<47uA,一节9V充电电池(350mAh)可以使用7000多个小时。如果换用LMC6042AIN,总耗电<35uA,电池可以使用10000小时。
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02、仿真
电路很简单,预期会很顺利,但实际上很艰难。大概是Multisim对于超高阻部分做的不好。
可以看到,仿真软件把主运放的Vos取了0.35mV,另外也肯定加入了Ib的影响,最后的输出有一点偏差,很正常。
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03、准备材料、元件
除了个别元件比较难找外,其余都是很常见的。
特殊的元件,主要是100G的电阻。
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元件细节
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04、元件布局
先裁减好万能板,主要元件排布一下。
上边是电源,右下是输入,左下是输出。
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05、制作输入隔离岛
此处为关键部位,隔离岛需要高度绝缘。
采用优质BNC插座,确认绝缘部分是特富龙材料,这是常见的最好的绝缘材料,电阻率可以超过10的15次方欧姆-厘米。
不仅如此,BNC插座的外皮,要强制在地电位,这样与中心导体的电位差就很小(<1mV),这样才能保证漏电不超过0.1fA。
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06、输入岛岛芯的制作
这部分要实现良好的机械支撑和电气绝缘,同时要尽量减少体积以免不必要的输入电容和感染,这样就直接在中心导体上焊接成四叉,分别接输入、反馈电阻Rf、反馈电容Cf、运放输入/保护电阻。
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07、元件安装和焊接
这部分没有啥特别的,常规做法。
不过也比较麻烦,断断续续焊了两个小时,刚刚完成。
标准电压源,不仅有0.1V,而且增加了10mV:
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背面,尽量避免交叉:
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2011-7-1 19:00补充,昨天焊完后发现两处小问题,改正后:
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08、反馈电容制作
其实还没有焊接完成,发现运放的输出还没有接,反馈电容还没有位置,补做一个。
这个电容要求超低漏电、很小的容量,难于找到成品,只有自己做。
用外径0.55、内径0.34的特富龙单芯双绞线8cm,加密双绞。测试一下,4.7pF,可以了。
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09、安装基本完成
又发现一个错误,电压源的地接错了,接到了-2.5V上去。改正后,装上大部分元件后:
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10、初步测试
用Mengxin DIY手持6位半测试,不给予任何电流信号,即输入电流为零,只接上反馈电阻和反馈电容,零点貌似正常,不装盒时有干扰,装盒后大约为1.7mV,也就是17fA
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加上1pA内部电流后,输出大约是91.5mV,也就是915fA,正常。
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11、初步采集
仍然用Mengxin 6.5,测试时保存在内部MicroSD卡中,采集了零点和1pA信号,结果非常平稳,噪音非常小。至此,1pA超微电流测试仪DIY成功!
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原始数表如下:

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当然,本文并没有打算做成产品,所以一切都是试验风格,是用来说明,国外最好的仪器的指标,也可以通过DIY重复出来,没有什么神秘,也不复杂。
不过,用在产品上,只需少许改动,主要是输入岛部分,改成屏蔽特富龙柱即可,这在仪器上是很成熟的做法。以下是吉时利在其617静电仪里的做法:
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以下是德国的一个超微电流板,其输入岛(粉色部分)是独立的一块小板,运放采用了业界Ib保证值最小的ICH8500A(<10pA,比LMC7721的<20pA还要小)。
其中,Rf、Cf、运放的输入脚,都是插接的。
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12、运放的说明
看照片,这些都是Ib超级微小的CMOS运放,由于输入级都是MOS管,因此Ib都非常小。尽管LMC6001很著名,但其用料和制作并没有什么特别的,只是出厂前进行了100%的测试,保证Ib<25fA而已。这些运放尽管Ib的指标值相差很大,但实际上相差不大,绝大多数都会低于典型值,或者Ib<10fA,因此可以基本随便选用,使用前测试一下,个别的淘汰即可。我主推LMC6042A和LMC6062A的原因,就是低耗电。
Ib小,电流噪音就自然小。这些运放的电流噪音的指标都低于0.2fA/√Hz。
Ib小,受温度系数的影响就小。因此,超微电流测试,Ib是首要选择目标。
价格上,LMC6001A贵一些,其它都很便宜,尤其是图中的下面两款,很容易买到。
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其它的常用运放,还有一些金封的,例如ICH8500A、AD549LH、OPA128LM:
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不过,根据国半,金封的Ib反而不如塑封的好,再由于价格贵,不推荐。
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13、超高阻的说明
照片为我自己的测试过的所有100G的电阻。
A. 国产的100G真空电阻,有一定的电压系数,但低压下表现尚可,温漂也凑合。如果手头正好有这种电阻,可以用在此处的超微电流测试仪里。
B. 新近国产100G,红色漆皮,但表现很好。温度系数大约0.14%/C,电压系数很小,低压下表现也非常好。
C. 日本FINECHEM的 RH2HVS,误差只有1%(F),高压下(10V~1000V)表现也非常好,但就是低压下表现很差,介质吸收严重,一旦加压(例如开机时的5V)则难于恢复,会在很长一段时间内表现出开路有输出电压,电荷释放时间比较长。
D. 国产的片状电阻,名义上是RI80,也许是小厂的产品,非常垃圾的东西,电压系数超大,10V和100V下电阻能相差2倍以上,<1V下几乎要开路(电阻>10T),其表现类似一个稳压管,因此绝对不可以用在此处。另外,该电阻的极化存储现象也很严重。
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根据Johnson Noise理论,可以测试的最小电流受下列电流噪音公式约束:
I^2 = 4 * k * T * B / R
其中k是玻尔兹曼常数,为1.38E-23,T是绝对温度,B是带宽,R是信号源内阻。
把常见的T=300度、B=1Hz、R=10MΩ带入,结果得到40.7fA。显然这个噪音对于微弱电流还是太大,要想改进,在常规场合(比如不能搞低温恒温)、测试速度确定的场合下,唯一我们能做的就是提高信号源内阻。如果R选择1GΩ,那么电流噪音就变成4.1fA了,减到了1/10。假如继续把R增大到100G,那么噪音极限就达到0.4fA了(2fApp,如图红圈所示)。吉时利往往被公认为是国际微电流测试最高水平,其目前仍然是保持记录的静电计K642,里面的反馈电阻最大用到了12次方(1T),这与其0.08fArms的电流噪音指标是吻合的。理论上,如果进一步要其测试下限达到1E-17(10aArms,50aApp)也是可能的,只要提高信号源内阻到100T,同时要加大一些测试时间,如下图绿圈所示。因此可以看到,单从噪音从这一点看我们就需要超高阻。
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(本图来自吉时利低电平测试手册,并做了延伸)
内阻越高则电流噪音越低,这个概念与微电压的测试正好相反,因此有一些人转不过弯来,不想用高阻。的确,内阻高则噪音大,但噪音是与内阻的半次方成正比的,量程、增益是与内阻的1次方成正比的,算下来还是需要选择高阻。无论是信号源的内阻,还是运放的反馈电阻,均受此规律制约。

14、数据采集的说明
数据采集,就是把微电流测试器的电压输出信号,转变成数字数据保存起来。
简单一点的采集,要用到ADC,可以DIY,也有各种现成的采集卡、USB采集器可以买到。
但更方便的,是利用带有计算机接口的商品万用表。我最早用UNI-T的UT71,4位半表,具有RS232接口,带有程序;后来用Fluke 289,需要用FlukeView;在基准测试中,我一般用3458A加上GPIB卡,灵活、准确而功能强大。但在这里,我用了Mengxin DIY的手持6位半万用表,这表除了具有高精度、高分辨的特性外,还带有内置MicroSD写卡器,这样在采集的过程中不仅不需要交流供电,还可以脱离计算机,避免干扰。采集的数据为csv格式(逗号分隔文本)。
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数据能够采集下来,不仅可以长期无损保存,更可以后续做曲线、进行各种分析。
我喜欢用Excel,在保存数据的同时,可以方便的求出平均值、最大最小值、标准差、阿伦方差等,更主要的,还可以作图。
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15、用微电流源进行测试
有人会问,自己DIY的微电流仪准吗?误差如何?如何校准?
这个么,我这里正好有个WD-1直流微电流源,输出范围是0.01pA到110uA。
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先装好输入BNC插座
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用这个WD-1输出1pA对DIY微电流仪进行测试,同时采集:
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从表的读数就可以看到,这次比较准了。开始不太准的原因是用的两个100G的电阻,一个偏大另一个偏小。现在这个Rf是找了一个合适的换上去的。
目前正在测试中,测完后我贴出结果。
更新,结果出来了,出奇的好。
由于该微电流测试器只有一级,是反向的,因此正电流输入后读数为负。刚才测试的时候把WD-1的输出极性开关放到“-”的位置,输出就为正了。
1pA曲线平直、噪音很低。选取最好的100个数计算标准差,为0.28fA,这可以认为就是有效值噪音。同样,选取100个计算峰峰值,仅为1.3fA。从灵敏度看,按噪音有效值的2倍计算,为0.6fA。
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100fA的结果类似,直观看一下曲线:
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标准差0.30fA,峰峰值1.38fA
那么,如何认定该测试仪的测试100fA的“精度”呢?是2.5%?还是什么别的?
无论如何,可以把这个叫做100fA测试器也是可以的。
至于为什么测试1pA还比100fA好一点,不得而知,也许是偶然的。无论如何,1pA和100fA的短期稳定性和重复性相近。用Cf=5pF、Rf=100G带入理论计算公式计算一下,得到电流噪音的理论值是0.29fArms,峰峰值是1.44fA,可以看到,我的测试已经达到了噪音理论值!要想再好是不可能的了,除非继续增大反馈电阻。

附上原始数据和图表:

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16、如何衡量一个微电流测试器的好坏
有人会说,那还不容易,用精度,或者准确度。
实际不然,计量界早不这么用了,人家用不确定度。
不确定度中包含了重复性、偏差,加上其它的,我这里罗列一下:
A、稳定性
稳定是准确的基础,没有稳定性就谈不上精确。比如今天测试一个值,明天测试变了,那还有精度可言吗?或者说,连续测试10次的结果变动很大,又如何准确测试?
因此,测试器最重要的就是稳定性,表现在指针表不晃动,数字表的末位不跳动。
具体一点说,稳定性可以分为短期稳定性(短稳)和中长期稳定性。短稳主要由噪音和干扰决定,也可以认为是测试的重复性,可以由噪音的真有效值(rms值)表示,或者由变动的峰峰值表示,计算时可以用标准差,或者更精确一些用阿伦方差(Excel均支持)。以前手工计算一般只取10个连续的测试值计算,用计算机采集后一般取100个连续值。峰峰值计算比较粗糙但很方便,一般是真有效值的5倍或6倍。
中期稳定性一般由温度变化引起,长期稳定性一般由元件的老化引起,可以表示为每年变动百分之多少。

B、温度变化情况,或者叫温度系数。

以每度变化百分之多少来衡量。对于I-V法的微弱电流测试仪,如果漏电能控制的很好,则温度系数主要由反馈电阻决定的。因此,若想减少温度的影响,那就要选择温度系数小的Rf。超高阻的温漂一般比较大,要求高的可以选择氧化钌材料的高阻。另外,运放的Ib如果比较大,也会引起温漂。Vos的温漂对整体性能贡献不大。

C、最小分辨。

对于指针表,是指最小档的最小刻度;对于数字表,一般是最灵敏量程的最末位数字代表的值。如果噪音太大,那么最小分辨往往没有意义。试想一下,一个数字表在最灵敏的量程下,末位两个数字总在因为噪音的原因在跳动,那最小分辨还有什么意思呢?谁还会去看最后一个数字?

D、灵敏度。

灵敏度是度量一个微弱电流计的重要指标,可以认为,灵敏度为仪器能够分辨的输入改变的最小值,再小的输入信号会被噪音淹没,因此一般可以取噪音有效值的2倍。由于噪音的峰峰值大体上为噪音有效值的5倍,因此灵敏度也大体上等于噪音峰峰值的一半。
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E、偏差。

这个指标其实关系不大,有偏差校准一下就可以,或者知道了偏离多少,纠正一下即可。现在测试仪大多数字化了,数字零点改正、数字比例纠正是很容易的事情。
微电流测试器的校准,可以通过刚才的类似WD-1的微电流源进行,也可以用标准电压和标准高阻来进行。例如Keithley 6517的校准就是这样的。标准电压可以提供到非常好,例如Fluke 732B,可以精确的提供10V和1.018V电压。高阻标准电阻,例如采用成品的BZ17超高阻标准电阻。
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17、商品微电流测试仪都是怎么做的?
一般公认吉时利是国际上微电流水平最好的厂家,不妨看几款他们的产品。
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。
输入部分,手动旋转开关,可以看到开关的特富龙绝缘、几个高阻(100M、1G、10G、100G)。
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617,数字的,这个表我也有,前级也是I-V法,反馈电阻最大也是100G。
电路图我就不上了,网上都可以查到,内部图前面有一张,这里上一个局部的:
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6517,这个是617的改进型,性能其实与617差不多,与617类似,输入岛接了很多继电器,而继电器是干簧管的,外边套的特富龙套管:
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642,这款虽老,但据我所知其测试记录一直没有被打破,只有自家的6430与之齐平。究其原因,除了各种措施完备外,与其内部采用了空前的1T电阻有直接关系:
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还有一个老HP的,这款尽管最小量程2pA,但也是高阻仪,我用起来非常方便,调制型的,零点非常准,无需调零(其实就没有)。
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如果真对静电仪感兴趣,建议下载并研读这些老仪器的手册,里面电路图、原理介绍都有。
补充,日本人写的《测量电子电路设计模拟篇》,第51页对这种I-V转换法弱电流计的输入结构有详细的描述:
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18、热电动势和噪音
有人会问,微小信号放大不是要特别注意热电动势的影响吗?为什么在你的制作和测试中只字未提?
热电动势其实主要是在微小电压放大时才需要考虑的,而这里是微小电流放大。
即便是10G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,100G的噪音就更大了,这足以掩盖任何常见的热电动势了,只要用常规做法即可,无需特别处理。同样,其它噪音或干扰电压,如果都是微伏级别的,也无需特别考虑。由于高阻的采用容忍了更高的电压噪音,因此运放的Vos也变得不那么重要了,只要不大于1mV,温漂不大于10uV/℃即可,容易满足。
事实上,只要做好外壳屏蔽,在几天的测试过程中,没有发现更多的异常现象。
倒是经常性的有一些脉冲干扰,整体装入厚重的铝箱内也不能避免,怀疑是宇宙射线引起的。
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19、测试温度系数
把微电流测试器放入冷热箱,输入100fA,改变温度,看输出的变化。
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这是一种有别于三点恒温测试温度系数的方法,是记录全过程的变温测试方法,曾经用在标准电阻的温度系数测试中,效果良好,是所谓的“全息”测试法,因为把整个测试过程中的温度中间值和输出值全部记录了、全部利用,因此排除了偶然读数误差,大量的数据共同对温度系数做加权输出。
下面的曲线,是100fA测试值与温度随时间变化的情况,温度的改变是通过调节冷热箱的电压值手工调节的。可以直观的看出,测试值随温度变化不大,但11点附近有个峰值出现,不知道是什么原因,也许是冷热箱因冷却而结露或蒸发,造成漏电的变化所导致。
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以下曲线是温度-电流分布图,红色线为线性回归(最小二乘法逼近线),红字为此线的公式,因此可以得到,该测试器在此种情况下的温度系数为+0.06%/℃。
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20、宇宙射线?
在测试的过程中,偶尔发现无规则的脉冲干扰,换了不少运放、换了不同的高阻,现象照旧。增加了很厚的接地金属防护也毫无作用,不像是常规的干扰,因此怀疑是宇宙射线。
宇宙射线是一些来自地球之外的高能粒子辐射,贯穿能力特别强,需要深入地下几千米才能排除其影响,因此在地面上传统的铅板等防护措施基本无用。
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EDN在“挑战毫微安电流测量技术”中,提到了宇宙射线对积分法测试的影响,而恰巧我用积分法测试LMC6062A的Ib时也发现了类似的电压突变:
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那么如何判断是宇宙射线而不是内部干扰所导致呢?只好再做一套同样的系统,两套独立的系统同时采集。如果得到的曲线上,在相同的位置出现类似的干扰,那至少可以判断干扰来自外部。而如果这两套系统均采用电池供电、相隔一段距离、良好屏蔽,如果仍然出现同时间干扰,那基本上可以判断是宇宙射线了。
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结果出来了,两个同时测试的曲线,尖峰干扰的部分基本没有对得上的,因此排除是宇宙射线的干扰。
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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)。
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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。
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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。
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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?
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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。
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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。

22、学习微电流检测技术的一种方法(遗失)

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)。
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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
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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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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。
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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:
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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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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
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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。
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:
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另一个就是王卫勋在他的论文里:
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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
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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。

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:
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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:
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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。
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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。

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
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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
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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:
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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)
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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。
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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:
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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。

28、参考书
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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。

29、参考文章/电子文档(大部分已经失效)
A、微弱电流及V/I法高电阻测量,http://wenku.baidu.com/view/8c45a227a5e9856a5612607e.html
采用偏置电流低达0.25fA以下的场效应对管做输入级组成I-V放大器,最低可以测量0.1pA的电流。
B、挑战毫微安电流测量技术,http://wenku.baidu.com/view/4b27a5cfa1c7aa00b52acb5c.html
英文原文:http://ip565bfb2a.direct-adsl.nl/datasheets/Application-notes/measuringnanoamperes.pdf
本文阐述了一种现实技术,可以方便的测试运放的Ib到1fA的分辨,同时提供了大量的微电流测试文献连接。
C、微电流测量仪的研究,http://www.cqvip.com/QK/92179X/199303/1011903.html
介绍了几种微电流测量仪的基本结构及主要元器件的选择方法,最后谈及微电流测量仪的校准问题。尽管文章比较老,但采用了很多极端的方法并可能取得的极限结果,不像很多其他人,达到pA级的测试就感觉了不得了。
D、微弱信号检测仪器,http://wenku.baidu.com/view/6868bf4f2b160b4e767fcf3f.html
这实际上是南京某微弱信号检测公司的产品目录,其中第17页和22页分别介绍了他们的可以测试0.1pA的产品HB-891和HB-321,但不知道为何其噪声都高达10fA/√Hz
E、低电流 / 高阻测量,http://wenku.baidu.com/view/e5b9a5daa58da0116c174993.html
吉时利入门级的介绍,但也讲的很深入,同时很形象。
F、电子工程专辑有关微电流的讨论,http://forum.eet-cn.com/FORUM_POST_10006_1100021446_16.HTM
2005年的,热烈而专业。
G、Detecting currents less than one femtoamp?
http://www.electronicskb.com/Uwe/Forum.aspx/electronics/1526/Detecting-currents-less-than-one-femtoamp
国外某论坛,能否测试1fA满度?
H、Op Amps as Electrometers or—The World of fA
http://www.analog.com/library/analogDialogue/bestof/pdf/05_2.pdf
飞安世界,选自AD的“模拟对话”,有三张表格总结的很好。
I、Counting Electrons,http://www.keithley.com/data?asset=50390
吉时利的文章,描述如何利用其商品的静电计6430,通过长时间累积的方式达到检测1aA的目的。

[修改于 1 个月前 - 2021-05-10 04:04:03]

来自:仪器与装备 / 仪器仪表
7
RodTech
1个月4天前
1楼

编号20对宇宙射线导致放电的否定方法存在问题,

要看到两个信号互相在时间上重叠,需要很大的传感器体积,而且一个放在另一个上面,这样经过的时候会挨个被打一下,电容之类体积那么小,就算来了宇宙射线,打了第一个也打不中第二个。

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虎哥作者
1个月4天前 修改于 1个月4天前
2楼
引用RodTech发表于1楼的内容
编号20对宇宙射线导致放电的否定方法存在问题,要看到两个信号互相在时间上重叠,需要很大的传感器体积,...

是的,我加个按语。文中还有一处单位错误,一并修改。

宇宙射线是独立事件,不相关脉冲反而可能是宇宙射线,要是相关的话,更可能是电磁脉冲之类的干扰。

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RodTech
1个月4天前
3楼
引用虎哥发表于2楼的内容
是的,我加个按语。文中还有一处单位错误,一并修改。宇宙射线是独立事件,不相关脉冲反而可能是宇宙射线,...

大概率是背景辐射,因为受照的东西太小太轻了,没有量子效率,能量够低才容易测得到。


前阵子占地方丢了一批keithley 617和高压源表,从里面剪下来了一些250g和100g电阻,有空仿照也做一个,看看能不能测到这些放电脉冲。

Screenshot_20210509-192715_Gallery.jpg Screenshot_20210509-192847_Gallery.jpg


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量子隧道
1个月3天前 修改于 1个月3天前
4楼

编号20,根据电子器件软失效的相关理论经验,也不排除制作材料中的物质带有放射性同位素,引入干扰的可能性。

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苯辛酸
1个月3天前
5楼

已经搞到100G的电阻和lmc6042了,准备仿制一个

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该用户不需要名字
1个月3天前
6楼

我的那玩意是没法和这篇文章相提并论的,毕竟也没做几个测试。但我那个电阻确实还是挺好(贵)的。


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虎哥作者
1个月3天前
7楼
引用该用户不需要名字发表于6楼的内容
我的那玩意是没法和这篇文章相提并论的,毕竟也没做几个测试。但我那个电阻确实还是挺好(贵)的。

你的文章很好啊。要说不同之处,就是这篇文章娓娓道来,把事情讲明白讲透彻了。

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量子隧道
1个月3天前
8楼
引用虎哥发表于7楼的内容
你的文章很好啊。要说不同之处,就是这篇文章娓娓道来,把事情讲明白讲透彻了。

国内发科技制作的人多数以装13为主。这种把所有思考过程和背后的理论,把know how和know why的知识点都讲透的风格,在国外科技博客上常见,在国内少见。

话说一直不认识这位大神,真是遗憾。


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ZhengYun
1个月3天前
9楼
引用量子隧道发表于8楼的内容
国内发科技制作的人多数以装13为主。这种把所有思考过程和背后的理论,把know how和know w...

装13是人类进步之源。

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该用户不需要名字
1个月2天前 修改于 1个月2天前
10楼
引用虎哥发表于7楼的内容
你的文章很好啊。要说不同之处,就是这篇文章娓娓道来,把事情讲明白讲透彻了。

感谢支持

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BI1ECX
23天18时前
11楼

灵魂发问,那么现在哪里能找到这上百个基本电学仪器DIY

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虎哥
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39
2005/08/24注册,5 小时前活动

刘 虎

创新工程局主席

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