挑戰(zhàn)毫微安小電流測(cè)量技術(shù)
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幾千種應(yīng)用都需要測(cè)試小電流的電路，最常見(jiàn)的是測(cè)量二極管受光照射所產(chǎn)生的光電電流。一些科學(xué)應(yīng)用（如 CT 掃描儀、氣相色譜儀、光電倍增管與粒子和波束監(jiān)控等）都需要小電流的測(cè)量。除了這些直接應(yīng)用以外，半導(dǎo)體、傳感器甚至電線的制造商都必須測(cè)量極小電流，以確定器件的特性。泄漏電流、絕緣電阻以及其它參數(shù)的測(cè)量都需要一致、精確的測(cè)量，以便建立數(shù)據(jù)表規(guī)格。
但很少有工程師明白，一只器件的數(shù)據(jù)表是一份契約文件。它規(guī)定了器件的性能，對(duì)器件運(yùn)行的任何異議都要?dú)w結(jié)到數(shù)據(jù)表的規(guī)格上。最近，一家大型模擬 IC 公司的客戶(hù)威脅要對(duì)制造商采取法律行動(dòng)，稱(chēng)他所購(gòu)買(mǎi)的器件的工作電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該公司規(guī)定的亞微安等級(jí)。事件的最終原因是：雖然該 PCB（印制電路板）裝配廠正確清洗了電路板，但
裝配人員用手拿 PCB 板時(shí)，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上留下了指紋。由于可以測(cè)量這些微小的電流，半導(dǎo)體公司就可以證明自己的器件工作正常，泄漏電流來(lái)自于臟污的 PCB。
測(cè)量小電流的困難來(lái)自于對(duì)測(cè)量的各種干擾。本文將討論兩個(gè)實(shí)驗(yàn)板電路，這些電路必須處理表面泄漏、放大器偏置電流引起的誤差，甚至宇宙射線等問(wèn)題。與大多數(shù)電路一樣，EMI（電磁輻射）或 RFI（射頻干擾）都會(huì)帶來(lái)誤差，但在這種低水平上，即使靜電耦合也會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。當(dāng)要測(cè)量的電流小到毫微微安范圍時(shí)，電路容易遭受更多干擾的影響。濕度會(huì)改變電容的數(shù)值，造成較大的表面泄漏；振動(dòng)會(huì)在電路中產(chǎn)生壓電效應(yīng)；即使是室內(nèi)風(fēng)扇引起的微小溫度改變也會(huì)在 PCB 上形成溫度梯度，造成虛假讀數(shù)；室內(nèi)光線也會(huì)降低測(cè)量的精度，熒光燈的光線會(huì)進(jìn)入一支檢測(cè)二極管的透明端，造成干擾（參考文獻(xiàn)1）。
如果要確定晶體振蕩器的性能，則需要精確測(cè)量小電流。Linear Technology 的科學(xué)家，同時(shí)也是EDN的長(zhǎng)期撰稿人Jim Williams演示了他為一個(gè)客戶(hù)設(shè)計(jì)的一款電路，該客戶(hù)需要測(cè)量一個(gè)32kHz手表晶體的均方根（rms）電流（圖1）。這種測(cè)量的一個(gè)難點(diǎn)在于，即使一個(gè)FET探頭的1pF電容也會(huì)影響到晶體的振蕩。確切地說(shuō)，電流測(cè)量的目標(biāo)之一是為每個(gè)晶振確定所使用低值電容器的大小。這種測(cè)量的進(jìn)一步的困難是必須在32kHz下準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)測(cè)量，這就排除了使用積分電容器的可能。這種信號(hào)是一種復(fù)雜的交流信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須將其轉(zhuǎn)換為rms（均方根）值才能作評(píng)估。
Williams稱(chēng)：“石英晶體的rms工作電流對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度系數(shù)和可靠性都很重要?！彼f(shuō)，小型化需求會(huì)帶來(lái)寄生問(wèn)題，尤其是電容，使rms 晶體電流的精確檢測(cè)更加復(fù)雜，特別是對(duì)微功率類(lèi)型的晶體。他解釋說(shuō)，采用圖2中的高增益低噪聲放大器，結(jié)合一只商品化的閉合磁芯電流探頭就可以測(cè)量，一個(gè)rms-dc轉(zhuǎn)換器就可提供rms值。圖中虛線表示石英晶體的測(cè)試電路，它示范了一個(gè)典型的測(cè)量情況。Williams使用 Tektronix CT-1電流探頭來(lái)監(jiān)控晶體電流，它只產(chǎn)生極小的寄生負(fù)載。同軸電纜將探頭的50Ω饋送至A1，A1 和A2得到1120的閉環(huán)增益，高于標(biāo)稱(chēng)1000的額外增益，用于校正在32.768 kHz下CT-1 的 12% 低頻增益誤差。
Williams通過(guò)Tektronix CT-1的七個(gè)采樣組，研究了這種增益誤差校正對(duì)一個(gè)正弦頻率（32.768kHz）的有效性。他報(bào)告說(shuō)，對(duì)一個(gè)1mA、32.768kHz 的正弦波輸入電流，該器件的輸出全部都在 12% 的 0.5% 以?xún)?nèi)。盡管這些結(jié)果看似支持這種測(cè)量方案，Williams 仍認(rèn)為值得說(shuō)明一件事，即結(jié)果來(lái)自 Tektronix 的測(cè)量。他說(shuō)：“Tektronix 并未保證低于所規(guī)定 -3dB、25kHz 低頻滾降時(shí)的性能。A3 和A4提供的增益為200，因此放大器總增益為224,000。這個(gè)數(shù)字在A4產(chǎn)生一個(gè)針對(duì)CT-1輸出的1V/mA比例因子。A4的 LTC1563-2 32.7 kHz 帶通濾波輸出通過(guò)一個(gè)以 LTC1968 為基礎(chǔ)的rms-dc轉(zhuǎn)換器送給A5，該rms-dc轉(zhuǎn)換器提供電路的輸出?！盬illiams 解釋說(shuō)，信號(hào)處理路徑組成一個(gè)頻帶極窄的放大器，該放大器調(diào)諧到晶體的頻率。圖3畫(huà)出典型的電路波形。據(jù) Williams說(shuō)，該晶體在C1的輸出端驅(qū)動(dòng)（上跡線），產(chǎn)生一個(gè)530nA的rms晶體電流，分別顯示為A4的輸出（中間跡線）和rms-dc轉(zhuǎn)換器輸入（下跡線）。他說(shuō)：“中間跡線可看到尖峰，這是來(lái)自與晶體并聯(lián)寄生路徑的未過(guò)濾成份?！?
評(píng)論