挑战毫微安电流测量技术(上)

　　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。

　　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。

　　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。"