挑战毫微安小电流测量技术

A电流，他发现所测试的多数LMC6001器件的偏置电流均小于5 fA，远远大于规定的数值。他以这款实验电路板为基础，制作了一个安装在标准探测卡上的测试电路。（有关这一设计的更多信息见参考文献 4、参考文献 5 和参考文献 6，包括一个系统视频。）

　　Grohe不会用这个电路在自己的实验室中测量毫微微安级电流。他说：“我推荐用Keithley2400静电计。我们已经用该仪器测试了制造中的 LMC6001，工厂允许我们使用外部测试设备。”Keithley 确实值得他投入信心。该公司在其网站上免费提供有关测量微微微安电流的出色文档（参考文献 7），以及一本有关精密测量的书籍（参考文献 8）。

　　DDC112

　　Grohe和Pease的积分方案并不限于实验室的计划。德州仪器公司(TI)创建了一系列部件，可用于毫微微安范围的测量，并提供一个可利用的数字输出。该系列包括一个单通道DDC101 以及提高了灵敏度的双通道DDC112，它使用外部积分电容器。四通道DDC114和八通道的DDC118的电荷灵敏度为12pC（参考文献9）。这些20位部件的采样速率达3kHz。

　　你必须具备尝试这些测量的物理认识。如果DDC112可以测量12 pC的电荷，并且你希望测量12pA电流，则需要将积分时间设为1秒，这是DDC114的最大允许值。如果器件的积分间隔是一整秒，则不可能获得一个 3 kHz 的刷新速率。但是，按这种方式配置的器件可在转换结束时产生一个 20位的值。换句话说，DDC（直接数字变换器）可以解析毫微微安级电流，尽管精确度降低了。器件的输入偏置为20fA，但你的系统软件可以校准这个值，所以，器件仍应该能够解析非常低的水平。记住，这种类型灵敏度很难做到只在出厂时校正一次系统，然后就可以一直工作下去。随着温度的增加，偏置电流也增加，每 10℃加倍，并且泄漏以及传感器漂移也在电路板上增长起来。当测试毫微微安级电流时，采用上电时现场校正或更频繁的校正方法总是一个好主意。德州仪器公司为这些器件提供了评估板，你可以在数小时内就搭建并运行起来，对那些即使对最好的手持数字电压表也太小的电流作测量（图 10）。

　　TI的过采样转换器系列产品经理以及该器件所用技术的专利拥有者 Jim Todsen 说，DDC 系列的开发开始于 Burr-Brown ACF2101，这是一个双切换积分器前端，它为电流/电压转换功能提供了一个单芯片选择。Todsen 解释说，双积分器的好处是它总能采集到输入电流。当一个积分器在采样输入时，另一个将其积分值送给 ADC，这个过程不断持续，长到你需要测量的整个阶段。他说：“当 ACF2101 将输入电流转换为电压后，一只分立的高分辨率 ADC 对其作数字化。DDC112 将 ACF2101 的电流/电压功能与高分辨 ADC 的数字化做到了一只芯片中。”他将这一进步归功于晶圆工艺的发展，从而能够实现高水平的混合信号集成，同时也由于 TI 高速△-∑核的发展，该核能够提供测量前端信号所需的速度和分辨率。他提到：“除此以外，我们还有将所有电路元件置于控制之下的优点，对极低泄漏输入优化，以及在长积分周期中极稳定的性能。”

　　这些应用使你确信测量小电流的困难。另外，也足以说明在这种高要求应用中使用经过验证的器件与设备的价值，无论是 Analog Devices 的 AD549、国家半导体公司的 LMC660、TI 的 DDC114 积分电路、Keithley 的 2400 参数测试单元，还是 Agilent 的 4156 参数测量单元。不过也要记住这些非凡的器件和仪器并不是魔盒。只有消除了电路板或测试装置中的噪声源和泄漏路径，才能够发挥它们的优点。了解运放针对电压和电流噪声的规范将有助于选择正确的器件（参考文献 10）。同时，如果你的老板想要知道为什么你买芯片要花 5美元或 10 美元，而一个电表却要几千美元，现在你可以解释给他听，因为考虑测量小电流的各种挑战，这种设备真不算贵。

参考文献
1. Long, James, "Sidebands be gone, or let there be (no) light," EDN, Oct 12, 2006, pg 40.
2. "AC current probes".
3. Mancini, Ron, "The nuances of op-amp integrators," EDN, March 18, 2004, pg 28.
4. Pease, Bob, "What's All This Teflon Stuff, Anyhow?" Feb 14, 1991.
5. Pease, Bob, "What's All This Femtoampere Stuff, Anyhow?" Sept

2, 1993.
6. www.national.com/nationaltv.
7. Daire, Adam, "Counting Electrons: How to measure currents in the attoampere range," Keithley Instruments Inc, September 2005.
8. www.keithley.com/wb/141.
9. "Quad Current Input 20-Bit Analog-to-Digital Converter," Texas Instruments Inc, June 2005.
10. Brisebois, Glen, "Op Amp Selection Guide for Optimum Noise Performance," Linear Technology Design Note 355, January 2005.