[讨论] 牛人图解DIY 1pA超微电流测试器

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。 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。 本帖最后由 dontium 于 2015-1-23 11:23 编辑

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。 本帖最后由 dontium 于 2015-1-23 11:23 编辑

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。


元件细节

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。

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。

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。

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：



背面，尽量避免交叉：



2011-7-1 19:00补充，昨天焊完后发现两处小问题，改正后：

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。

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：


2011-7-1 00:52 上传

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1.7mW，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。

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！

附：原始采集数据及图表：

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。



其它的常用运放，还有一些金封的，例如ICH8500A、AD549LH、OPA128LM：


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。

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。



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。

（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）。


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。

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。



先装好输入BNC插座



用这个WD-1输出1pA对DIY微电流仪进行测试，同时采集：



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。



100fA的结果类似，直观看一下曲线：

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。   

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。

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。

17、商品微电流测试仪都是怎么做的？

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）。








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：


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：


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：


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）。


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：

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。

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。


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。


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%/℃。

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。 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： 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。 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。