毫微安电流测量技术面临的挑战与设计方案

2009-12-22 10:29:13来源: Paul Rako

  对小电流的测量非常微妙。巧妙的模拟设计技术、正确的器件和设备都有助于测量。

  要 点

  小电流的测量面临物理限制与噪声限制。

  早期的机械电表可分辨毫微微安级电流。

  JFET和CMOS放大器适用于测量。

  要测量毫微微安级电流,需要将电流积分到一只电容器中。

  积分器件可以测量毫微微安级电流,并提供 20位输出。

  几千种应用都需要测试小电流的电路,最常见的是测量二极管受光照射所产生的光电电流。一些科学应用(如 CT 扫描仪、气相色谱仪、光电倍增管与粒子和波束监控等)都需要小电流的测量。除了这些直接应用以外,半导体、传感器甚至电线的制造商都必须测量极小电流,以确定器件的特性。泄漏电流、绝缘电阻以及其它参数的测量都需要一致、精确的测量,以便建立数据表规格

  但很少有工程师明白,一只器件的数据表是一份契约文件。它规定了器件的性能,对器件运行的任何异议都要归结到数据表的规格上。最近,一家大型模拟 IC 公司的客户威胁要对制造商采取法律行动,称他所购买的器件的工作电流远远高于该公司规定的亚微安等级。事件的最终原因是:虽然该 PCB(印制电路板)装配厂正确清洗了电路板,但装配人员用手拿 PCB 板时,在关键节点上留下了指纹。由于可以测量这些微小的电流,半导体公司就可以证明自己的器件工作正常,泄漏电流来自于脏污的 PCB。

  测量小电流的困难来自于对测量的各种干扰。本文将讨论两个实验板电路,这些电路必须处理表面泄漏、放大器偏置电流引起的误差,甚至宇宙射线等问题。与大多数电路一样,EMI(电磁辐射)或 RFI(射频干扰)都会带来误差,但在这种低水平上,即使静电耦合也会带来问题。当要测量的电流小到毫微微安范围时,电路容易遭受更多干扰的影响。湿度会改变电容的数值,造成较大的表面泄漏;振动会在电路中产生压电效应;即使是室内风扇引起的微小温度改变也会在 PCB 上形成温度梯度,造成虚假读数;室内光线也会降低测量的精度,荧光灯的光线会进入一支检测二极管的透明端,造成干扰(参考文献1)。

  如果要确定晶体振荡器的性能,则需要精确测量小电流。Linear Technology 的科学家,同时也是EDN的长期撰稿人Jim Williams演示了他为一个客户设计的一款电路,该客户需要测量一个32kHz手表晶体的均方根(rms)电流(图1)。这种测量的一个难点在于,即使一个FET探头的1pF电容也会影响到晶体的振荡。确切地说,电流测量的目标之一是为每个晶振确定所使用低值电容器的大小。这种测量的进一步的困难是必须在32kHz下准确地实时测量,这就排除了使用积分电容器的可能。这种信号是一种复杂的交流信号,系统设计者必须将其转换为rms(均方根)值才能作评估。

测量一个32kHz手表晶体的均方根

  Williams称:“石英晶体的rms工作电流对长期稳定性、温度系数和可靠性都很重要。”他说,小型化需求会带来寄生问题,尤其是电容,使rms 晶体电流的精确检测更加复杂,特别是对微功率类型的晶体。他解释说,采用图2中的高增益低噪声放大器,结合一只商品化的闭合磁芯电流探头就可以测量,一个rms-dc转换器就可提供rms值。图中虚线表示石英晶体的测试电路,它示范了一个典型的测量情况。Williams使用 Tektronix CT-1电流探头来监控晶体电流,它只产生极小的寄生负载。同轴电缆将探头的50Ω馈送至A1,A1 和A2得到1120的闭环增益,高于标称1000的额外增益,用于校正在32.768 kHz下CT-1 的 12% 低频增益误差。

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关键字:毫微安电流  测量

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2009/1222/article_896.html
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