对小电流的丈量十分奇妙。奇妙的模仿规划技能、正确的器材和设备都有助于丈量。
要 点
小电流的丈量面对物理约束与噪声约束。
前期的机械电表可分辩毫微微安级电流。
JFET和CMOS放大器适用于丈量。
要丈量毫微微安级电流，需求将电流积分到一只电容器中。
积分器材能够丈量毫微微安级电流，并供给 20位输出。
几千种运用都需求测验小电流的电路，最常见的是丈量二极管受光照耀所发生的光电电流。一些科学运用(如 CT 扫描仪、气相色谱仪、光电倍增管与粒子和波束监控等)都需求小电流的丈量。除了这些直接运用以外，半导体、传感器乃至电线的制造商都有必要丈量极小电流，以确认器材的特性。走漏电流、绝缘电阻以及其它参数的丈量都需求共同、准确的丈量，以便树立数据表规范
但很少有工程师理解，一只器材的数据表是一份契约文件。它规则了器材的功能，对器材运转的任何贰言都要归结到数据表的规范上。最近，一家大型模仿 IC 公司的客户要挟要对制造商采纳法律行动，称他所购买的器材的作业电流远远高于该公司规则的亚微安等级。事情的终究原因是：虽然该 PCB(印制电路板)装置厂正确清洗了电路板，但装置人员用手拿 PCB 板时，在要害节点上留下了指纹。因为能够丈量这些细小的电流，半导体公司就能够证明自己的器材作业正常，走漏电流来自于脏污的 PCB。
丈量小电流的困难来自于对丈量的各种搅扰。本文将评论两个试验板电路，这些电路有必要处理外表走漏、放大器偏置电流引起的差错，乃至宇宙射线等问题。与大大都电路相同，EMI(电磁辐射)或 RFI(射频搅扰)都会带来差错，但在这种低水平上，即便静电耦合也会带来问题。当要丈量的电流小到毫微微安规模时，电路简略遭受更多搅扰的影响。湿度会改动电容的数值，构成较大的外表走漏;振动会在电路中发生压电效应;即便是室内电扇引起的细小温度改动也会在 PCB 上构成温度梯度，构成虚伪读数;室内光线也会下降丈量的精度，荧光灯的光线会进入一支检测二极管的通明端，构成搅扰(参考文献1)。
假如要确认晶体振动器的功能，则需求准确丈量小电流。Linear Technology 的科学家，一起也是EDN的长时间撰稿人Jim Williams演示了他为一个客户规划的一款电路，该客户需求丈量一个32kHz手表晶体的均方根(rms)电流(图1)。这种丈量的一个难点在于，即便一个FET探头的1pF电容也会影响到晶体的振动。切当地说，电流丈量的方针之一是为每个晶振确认所运用低值电容器的巨细。这种丈量的进一步的困难是有必要在32kHz下准确地实时丈量，这就排除了运用积分电容器的或许。这种信号是一种杂乱的沟通信号，体系规划者有必要将其转换为rms(均方根)值才干作评价。
Williams称：“石英晶体的rms作业电流对长时间稳定性、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 晶体电流的准确检测愈加杂乱，特别是对微功率类型的晶体。他解说说，选用图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能够丈量，一个rms-dc转换器就可供给rms值。图中虚线标明石英晶体的测验电路，它演示了一个典型的丈量状况。Williams运用 Tektronix CT-1电流探头来监控晶体电流，它只发生极小的寄生负载。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的额定增益，用于校对在32.768 kHz下CT-1 的 12% 低频增益差错。
Williams经过Tektronix CT-1的七个采样组，研讨了这种增益差错校对对一个正弦频率(32.768kHz)的有效性。他陈述说，对一个1mA、32.768kHz 的正弦波输入电流，该器材的输出悉数都在 12% 的 0.5% 以内。虽然这些成果看似支撑这种丈量方案，Williams 仍认为值得阐明一件事，即成果来自 Tektronix 的丈量。他说：“Tektronix 并未确保低于所规则 -3dB、25kHz 低频滚降时的功能。A3 和A4供给的增益为200，因而放大器总增益为224,000。这个数字在A4发生一个针对CT-1输出的1V/mA份额因子。A4的 LTC1563-2 32.7 kHz 带通滤波输出经过一个以 LTC1968 为根底的rms-dc转换器送给A5，该rms-dc转换器供给电路的输出。”Williams 解说说，信号处理途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)，发生一个530nA的rms晶体电流，别离显现为A4的输出(中心迹线)和rms-dc转换器输入(下迹线)。他说：“中心迹线可看到尖峰，这是来自与晶体并联寄生途径的未过滤成份。”
从Williams的电路中能够看到，即便选用积分技能，要丈量毫微安电流仍很困难。这个问题十分困难，因为丈量者有必要实时完结丈量。还有更多杂乱要素，如这种沟通丈量需求 32 kHz 的带宽来捕捉示波器电流波形中的许多能量。Williams 用一只传感器来处理这些问题。Tektronix CT-1 传感器(参考文献 2)价格高达 500 美元，但假如没有好的传感器，Williams 就不能从各种噪声中恢复出信号。除了有好的灵敏度以外，CT-1 有 50Ω 的输出阻抗，与高阻抗输出比较可获得较低的噪声信号途径。本例证明的另一个重要准则是，约束信号途径的带宽十分重要。Williams 做了一个窄带放大器链，去除了不感兴趣频率部分带来的一切噪声。最终，Williams 在电路中选用了杰出的低噪声规划准则。将重要节点架空衔接，尽量削减走漏途径，而在 50Ω 的源阻抗下，LT1028 或许是一切制造商中供给的噪声最低的一种放大器。
毫微微安的偏置电流
Paul Grohe 是美国国家半导体公司的一位运用工程师，他供给了另一个丈量细小电流的超卓事例。数年前，美国国家半导体公司决议出售 LMC6001，这是一款确保 25 fA 偏置电流的放大器，这意味着该公司需求丈量每只器材的偏置电流来验证规范。测验部分无法在方案阶段供给测验设备，一切电路有必要装到一个规范的勘探卡上。Grohe和搭档Bob Pease制作了一个用于概念验证的设备，以证明解析低达1fA小型测验电路的可行性(图4)。许多书本与评论中都选用一只积分电容器来丈量小电流(参考文献3)。它的原理是，一个小电流能够为一只小电容器充电，你能够读出电压值来计算电流。在某些状况下，电流是来自传感器的外部电流。此刻，电流正脱离放大器的输入脚。图 5 是一个简略的原理电路，其间的放大器正在丈量自己的偏置电流。
丈量小电流的现实状况远远超越图中所表述的内容。首要，Grohe 不能用器材本身丈量自己的偏置电流。假如他测验将器材本身用作积分器，则无法校对一个插座的效应，以及与测验设备有关的其它走漏。要做到这一点，需求一个独自的低偏置电流器材作积分器(图 6)。用一只 CMOS 的 LMC660 放大器即可确保偏置电流小于 2 fA。Grohe 用这种技能能够简略地去除任何 DUT(待测器材)，而积分器就能够丈量自己的偏置电流，以及测验插座和装置积分器的PCB的走漏电流。
图7标明，Grohe并未将DUT刺进插座内，一切管脚均未与PCB触摸。为尽量减小走漏，Grohe只将两只电源脚作为长而独立的插座，并且并未装置在PCB上。相同，他将待测管脚衔接到一个插座和一个2英寸悬置线上，并将管脚/插座组合衔接到积分放大器的输入端。为避免DUT运转在开环状况，Grohe将两个插座焊在一起，将空中悬浮的输出脚桥接起来。空气的活动会带来充电的离子，构成虚伪读数，因而Grohe将整个 DUT 封装在一个屏蔽的覆铜盒内。
下一个问题是挑选一个积分电容器。开始时，Grohe 感觉最佳的电容器挑选或许是空气介质电容器，因而他做了两块尺度为4英寸×5英寸的大平板，用作积分电容器。这个电容器的尺度正好是装置 DUT 的第二个覆铜盒的巨细。选用大电容器被证明是一个坏主意。大面积区域为宇宙射线供给了一个大方针，发生出能影响丈量的离子电荷(图 8)。Grohe 接下来尽量减小了电容器的尺度，一起依然运用一种杰出的电介质。他偶尔发现 RG188 同轴电缆运用了 Teflon 绝缘层。2 英寸长的这种电缆可为积分电容器供给10 pF 的电容(图 9)。别的它还有一个优点，外层的编织带能够作为屏蔽。所以，Grohe 将其衔接到放大器的低阻抗输出端。换用这种电容器后，宇宙射线的密度只要每30秒左右一次。Grohe做15秒的积分丈量，经过五次丈量来消除射线的影响。后来，Grohe扔掉了单次丈量。任何离子辐射源(包含有镭刻度盘的旧式手表)都会带来射线辐射问题。留意Grohe将放大器的输入端撬起，以避免PCB的走漏。
在丈量前，你需求将积分电容器复位为零。用半导体开关是不现实的，因为大都模仿开关都会带来走漏电流和5pF ~ 20pF的电容。%&&&&&%也会有变容效应，容值随施加的电压而改变，使丈量愈加杂乱化。为尽量削减这些问题，Grohe运用了一只Coto簧片继电器。他知道在继电器翻开时，线圈或许与内部簧片耦合，所以他规则运用有静电屏蔽的继电器。但成果让他懊丧，当继电器因为电荷注入而翻开时，丈量中依然有大的跳动。你也能够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。这种现象标明，用静电屏蔽避免搅扰是失利的，磁场在电路高阻抗端发生的电压构成了电荷注入。继电器没有当即翻开，需求为线圈充电的脉冲在继电器翻开前的瞬间发生一个相当大的电流注入。Grohe确认了使继电器作业所需的最小肯定电压摆幅，尽或许地削减了这种问题。这样，继电器将会以3.2V拉入，而以2.7V开释。他在一只 LM317 可调稳压器上运用一组电阻分接头，以操控这两个值之间的输出。他挑选不必悉数5V为继电器供能，然后削减了积分器输出的跳动，使之能够重复。然后，经过为第二级增益放大器注入一个小电流来消除跳动。
