挑战毫微安小电流测量技术

　　毫微微安的偏置电流

　　Paul Grohe 是美国国家半导体公司的一位应用工程师，他提供了另一个测量微小电流的出色案例。数年

前，美国国家半导体公司决定销售 LMC6001，这是一款保证 25 fA 偏置电流的放大器，这意味着该公司需要测量每只器件的偏置电流来验证规格。测试部门无法在计划阶段提供测试设备，所有电路必须装到一个标准的探测卡上。Grohe和同事Bob Pease建造了一个用于概念验证的装置，以证实解析低达1fA小型测试电路的可行性（图4）。很多书籍与讨论中都采用一只积分电容器来测量小电流（参考文献3）。它的原理是，一个小电流可以为一只小电容器充电，你可以读出电压值来推算电流。在某些情况下，电流是来自传感器的外部电流。此时，电流正离开放大器的输入脚。图 5 是一个简单的原理电路，其中的放大器正在测量自己的偏置电流。

　　测量小电流的现实情况远远超过图中所表述的内容。首先，Grohe 不能用器件本身测量自己的偏置电流。如果他尝试将器件自身用作积分器，则无法校正一个插座的效应，以及与测试装置有关的其它泄漏。要做到这一点，需要一个单独的低偏置电流器件作积分器（图 6）。用一只 CMOS 的 LMC660 放大器即可保证偏置电流小于 2 fA。Grohe 用这种技术可以简单地去除任何 DUT（待测器件），而积分器就可以测量自己的偏置电流，以及测试插座和安装积分器的PCB的泄漏电流。

　　图7表明，Grohe并未将DUT插入插座内，所有管脚均未与PCB接触。为尽量减小泄漏，Grohe只将两只电源脚作为长而独立的插座，而且并未安装在PCB上。同样，他将待测管脚连接到一个插座和一个2英寸悬置线上，并将管脚/插座组合连接到积分放大器的输入端。为防止DUT运行在开环状态，Grohe将两个插座焊在一起，将空中悬浮的输出脚桥接起来。空气的流动会带来充电的离子，造成虚假读数，因此Grohe将整个 DUT 封装在一个屏蔽的覆铜盒内。

　　下一个问题是选择一个积分电容器。开始时，Grohe 感觉最佳的电容器选择可能是空气介质电容器，因此他做了两块尺寸为4英寸×5英寸的大平板，用作积分电容器。这个电容器的尺寸正好是安装 DUT 的第二个覆铜盒的大小。采用大电容器被证明是一个坏主意。大面积区域为宇宙射线提供了一个大目标，产生出能影响测量的离子电荷（图 8）。Grohe 接下来尽量减小了电容器的尺寸，同时仍然使用一种良好的电介质。他偶然发现 RG188 同轴电缆使用了 Teflon 绝缘层。2 英寸长的这种电缆可为积分电容器提供10 pF 的电容（图 9）。另外它还有一个好处，外层的编织带可以作为屏蔽。于是，Grohe 将其连接到放大器的低阻抗输出端。换用这种电容器后，宇宙射线的密度只有每30秒左右一次。Grohe做15秒的积分测量，通过五次测量来消除射线的影响。后来，Grohe抛弃了单次测量。任何离子辐射源（包括有镭刻度盘的老式手表）都会带来射线辐射问题。注意Grohe将放大器的输入端撬起，以避免PCB的泄漏。

　　在测量前，你需要将积分电容器复位为零。用半导体开关是不现实的，因为多数模拟开关都会带来泄漏电流和5pF ~ 20pF的电容。电容也会有变容效应，容值随施加的电压而变化，使测量更加复杂化。为尽量减少这些问题，Grohe使用了一只Coto簧片继电器。他知道在继电器打开时，线圈可能与内部簧片耦合，于是他规定使用有静电屏蔽的继电器。但结果让他沮丧，当继电器由于电荷注入而打开时，测量中仍然有大的跳跃。你也可以将一只簧片继电器看作一个变压器，簧片组件可看作一个单匝绕组。这种现象表明，用静电屏蔽防止干扰是失败的，磁场在电路高阻抗端产生的电压造成了电荷注入。继电器没有立即打开，需要为线圈充电的脉冲在继电器打开前的瞬间产生一个相当大的电流注入。Grohe确定了使继电器工作所需的最小绝对电压摆幅，尽可能地减少了这种问题。这样，继电器将会以3.2V拉入，而以2.7V释放。他在一只 LM317 可调稳压器上使用一组电阻分接头，以控制这两个值之间的输出。他选择不用全部5V为继电器供能，从而减少了积分器输出的跳跃，使之可以重复。然后，通过为第二级增益放大器注入一个小电流来消除跳跃。

　　增益级采用两只低噪声放大器，可以用LMV751，也可以用一种斩波放大器，如LM2011。Grohe将经过增益提升的信号传送给一台数字示波器，示波器记录数据，并减去测试运行时获得的校正斜率，从而给出一个有效的测量值。Grohe使用了两只LS123型单触发电路，一个用于触发继电器，另一个提供一个适当而可重复的时间延迟，用于触发数字示波器。

　　Grohe还知道好的低噪声设计原则亦涉及到器件的电源，因此，他不用积分器和DUT使用的同一电源为继电器或数字电路供电。他用了一些固定和可变稳压器，为DUT和积分器提供±5V，为继电器驱动电路提供8V，为数字电路提供一个独立的5V。

　　Grohe用这个电路能够很容易地解析1f