如何進行小電流／高阻抗測量

使用交替極性測量方法可以將樣品中背景電流對測量結(jié)果的影響消除。這種方法也很簡單，就是對被測電阻正向施加電壓，在一段延時后測量流過電流；然后再改變電壓的極性，延時一段時間后再測量電流。使用電壓的變化值除以電流的變化值來計算被測電阻的大小。這種方法可以重復(fù)若干次，取測量值的加權(quán)平均值來反映被測電阻值。

電流表是用于測量電流設(shè)備，讀數(shù)為安培（amperes）。存在兩種電流表結(jié)構(gòu)：分流（shunt）型電流表和反饋（feedback）型電流表。
1、分流型與反饋型電流表
分流型電流表是常用的形式，應(yīng)用在很多場合。反饋型安培表更加適合測量小電流，隨著如今測量電流越來越小，反饋型電流表應(yīng)用逐步增加。然而選擇正確形式的電流表不僅取決于被測電流幅值的大小，也與被測設(shè)備（DUT）的特征（通常指阻抗）有關(guān)系。
2、分流電流表：DMMs
常見的分流型電流表在幾乎所有數(shù)字萬用表（DMMs）中得到應(yīng)用。被測量的電流在萬用表輸入端電阻上形成電壓正比于測量電流。

▲ 圖1  分流型電流表

分流型電流表的主要缺點在于電流表的輸入阻抗。當輸入電流減小的時這個確定越發(fā)明顯，因為需要更大的輸入電阻才能夠產(chǎn)生更高的被測電壓。分流型電流表一般在以下兩種情況工作良好：
電流表的輸入阻抗比起待測設(shè)備的輸出阻抗要小得多；
被測電流不要太小，不要比微安（ ）小的太多；
3、電壓負擔
電流表的端口電壓被稱為電壓負擔（Voltage Borden）。隨著電流表串入待測電流回路，電壓負擔則會引起被測電流減小，因此電流表就無法準確反映被測電流。
一個理想的電流表應(yīng)該對電流回路中的電流不產(chǎn)生任何影響，所以它需要有零輸入阻抗和零電壓負擔。但是一個實際的電流表則會產(chǎn)生一定大小的電壓負擔。一般來說，由電流表的電壓負擔所產(chǎn)生的測量誤差等于電壓負擔除以被測設(shè)備輸出電阻。典型的電流表所產(chǎn)生的電壓負擔量級在數(shù)百毫伏左右。
4、反饋型電流表
相比于分流型，反饋型電流表更接近于理想電流表，在測量微安級別以下的電流時應(yīng)該選擇這種電流表，或者在要求輸入阻抗有特別苛刻要求的情況下。
反饋型電流表是通過一個增益很高的運算放大器的反饋回路來將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓，電壓與被測電流成正比；這個電壓不再出現(xiàn)在電流表的輸入端口，而是通過放大器輸出到后級測量電路。電流表的輸入電壓（也就是前面提到的電壓負擔）等于輸出電壓除以運算放大器的電壓增益（通常為 100,000），所以電流表輸入端的電壓負擔會減小到微伏級別。由于電壓負擔小，所以反饋型電流表在測量小電流，或者被測設(shè)備輸出阻抗小的時候，所產(chǎn)生的誤差更小。Keithley 電子電流表和 p-A 電流表都采用反饋型電流表技術(shù)。

▲ 圖2  反饋型電流表

下圖對測量三極管發(fā)射極電流時，電壓負擔所帶來的影響。雖然使用數(shù)字萬用表可以很好的測量到三極管的發(fā)射極電流，但數(shù)字萬用表的電壓負擔會顯著減小被測隊形的電壓，使得測量結(jié)果偏小。如果使用 p-A 表或者電子電流表，測量誤差可以忽略不計。▲ 圖3  測量三極管發(fā)射極電流
5、產(chǎn)生電流誤差原因
有若干原因會引起測量電流的精度。所有的電流表都會產(chǎn)生一個小的電流流過輸入端，即使輸入端在開路狀態(tài)，這種電流被稱為偏置電流，可以通過設(shè)備電流抑制來進行調(diào)零。外部泄露電流是附加的測量誤差，通過良好的保護和屏蔽連接對于減少泄露電流非常重要。被測設(shè)備的輸出阻抗影響電流表的噪聲性能。除此之外，還有一些其它產(chǎn)生電流也會疊加在被測電流上引起誤差。下面討論一些產(chǎn)生電流種類以及如何減少它們對測量的影響。
（1）摩擦電流
摩擦電是由于導(dǎo)線與絕緣層之間的電荷不平衡引起的，如下圖所示。選擇合適的導(dǎo)線，比如 Keithely 低噪聲電纜可以減少這種摩擦電的影響，它內(nèi)部的聚乙烯絕緣層外包括有一層石墨，起到與外部屏蔽層之間的潤滑作用，在導(dǎo)線外產(chǎn)生圓桶形狀的等電位保護層，均衡電荷分布減少電荷產(chǎn)生。

▲ 圖4  摩擦起電對電流測量影響

（2）壓電電流
當一些特殊晶體結(jié)構(gòu)物體受到機械壓力時會產(chǎn)生壓電電流，通常發(fā)生在絕緣接口端子和內(nèi)部連接硬件上。一些塑料中，內(nèi)部可能存儲有電荷，它們可能產(chǎn)生類似于壓電效應(yīng)。下圖顯示了具有壓電效應(yīng)的端口所產(chǎn)生的壓電電流。可以通過以下兩種方法來減少壓電電流：
消除絕緣材料上所受到的機械壓力；
使用壓電效應(yīng)小，或者存儲電荷少的絕緣材料；

▲ 圖5  具有壓電效應(yīng)的接口端子

（3）污染和潮濕
污染物再加上潮濕會引起電化學(xué)效應(yīng)，從而產(chǎn)生誤差電流，這是因為具有電離化學(xué)物質(zhì)的污染物會在電路板兩個導(dǎo)體之間產(chǎn)生弱的“電池”效應(yīng)。例如，在常用的環(huán)氧樹脂印刷電路板上，如果沒有把腐蝕溶液、助焊劑、油漬、鹽（通常來自于指紋）或者其他污染物進行徹底清理，就會在兩個導(dǎo)體之間產(chǎn)生若干 n-A 電流，如下圖所示。避免這種由污染物和潮濕所引起的誤差，選擇不吸水的絕緣材料，或者保持空氣濕度在一個合適的水平。對所有的絕緣材料保持它們的清潔，避免被污染物沾染。

▲ 圖6  污染物在電路導(dǎo)體之間產(chǎn)生的誤差電流

6、測量高阻抗
在測量高阻抗（通常大于 1GΩ）時，使用一個恒定的電壓加載待測電阻上，然后通過串聯(lián)電流表檢測所產(chǎn)生的電流。使用歐姆定律（R=V/I）可以計算出電阻值。這種施加電壓去測電流比施加恒流測電壓的方法更適合于高阻測量，這是由于一些高阻電阻的特性有可能會受到高壓的影響。當然一個受控且可以產(chǎn)生合適電壓范圍電壓源對于測量非常重要。這種方法通常需要使用到能夠測量小電流的電子電流表或者 p-A 表。前面關(guān)于小電流測量及其誤差分析的內(nèi)容都適合在高阻抗測量中。
在測量高阻時，泄露電流是常見到的誤差，它們產(chǎn)生于待測電路與附近的電壓源之間的高阻抗通道（泄露電阻）。通過使用合適的保護特性、清潔、高質(zhì)量絕緣材料以及減少濕度等措施來減少泄漏電阻的影響。
下圖給出了常見到的絕緣材料的電阻值。如果吸收了水分則會使得部分絕緣材料的電阻改變?nèi)舾傻臄?shù)量級。

▲ 圖7  不同絕緣材料的電阻

下面表格給出了水分吸收以及其他效應(yīng)的定量描述。

▲ 圖8  不同絕緣材料的電阻值

▲ 圖9  材料的吸水、壓電、摩擦起電特性

7、交替極性方法
當測量物質(zhì)具有很高的阻抗時，背景電流可能引起顯著的測量誤差，它們可能是由絕緣材料中儲存電荷、靜電或者摩擦起電、壓電效應(yīng)等引起的。
使用交替極性測量方法可以將樣品中背景電流對測量結(jié)果的影響消除。這種方法也很簡單，就是對被測電阻正向施加電壓，在一段延時后測量流過電流；然后再改變電壓的極性，延時一段時間后再測量電流。使用電壓的變化值除以電流的變化值來計算被測電阻的大小。這種方法可以重復(fù)若干次，取測量值的加權(quán)平均值來反映被測電阻值。