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(多图) 挑战毫微安电流测量技术

作者:Paul Rako?? 2008年10月23日 ?? 收藏0

  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。

高增益低噪声放大器

  Williams通过Tektronix CT-1的七个采样组,研究了这种增益误差校正对一个正弦频率(32.768kHz)的有效性。他报告说,对一个1mA、32.768kHz 的正弦波输入电流,该器件的输出全部都在 12% 的 0.5% 以内。尽管这些结果看似支持这种测量方案,Williams 仍认为值得说明一件事,即结果来自 Tektronix 的测量。他说:“Tektronix 并未保证低于所规定 -3dB、25kHz 低频滚降时的性能。A3 和A4提供的增益为200,因此放大器总增益为224,000。这个数字在A4产生一个针对CT-1输出的1V/mA比例因子。A4的 LTC1563-2 32.7 kHz 带通滤波输出通过一个以 LTC1968 为基础的rms-dc转换器送给A5,该rms-dc转换器提供电路的输出。”Williams 解释说,信号处理路径组成一个频带极窄的放大器,该放大器调谐到晶体的频率。图3画出典型的电路波形。据 Williams说,该晶体在C1的输出端驱动(上迹线),产生一个530nA的rms晶体电流,分别显示为A4的输出(中间迹线)和rms-dc转换器输入(下迹线)。他说:“中间迹线可看到尖峰,这是来自与晶体并联寄生路径的未过滤成份。”


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毫微安? 电流测量? 二极管?

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