毫微安電流測量技術面臨的挑戰與設計方案

　　對小電流的測量非常微妙。巧妙的模擬設計技術、正確的器件和設備都有助於測量。

　　要 點

　　小電流的測量面臨物理限制與噪聲限制。

　　早期的機械電錶可分辨毫微微安級電流。

　　JFET和CMOS放大器適用於測量。

　　要測量毫微微安級電流，需要將電流積分到一隻電容器中。

　　積分器件可以測量毫微微安級電流，並提供 20位輸出。

　　幾千種應用都需要測試小電流的電路，最常見的是測量二極體受光照射所產生的光電電流。一些科學應用（如 CT 掃描儀、氣相色譜儀、光電倍增管與粒子和波束監控等）都需要小電流的測量。除了這些直接應用以外，半導體、傳感器甚至電線的製造商都必須測量極小電流，以確定器件的特性。洩漏電流、絕緣電阻以及其它參數的測量都需要一致、精確的測量，以便建立數據表規格

　　但很少有工程師明白，一隻器件的數據表是一份契約文件。它規定了器件的性能，對器件運行的任何異議都要歸結到數據表的規格上。最近，一家大型模擬 IC 公司的客戶威脅要對製造商採取法律行動，稱他所購買的器件的工作電流遠遠高於該公司規定的亞微安等級。事件的最終原因是：雖然該 PCB（印製電路板）裝配廠正確清洗了電路板，但裝配人員用手拿 PCB 板時，在關鍵節點上留下了指紋。由於可以測量這些微小的電流，半導體公司就可以證明自己的器件工作正常，洩漏電流來自於髒汙的 PCB。

　　測量小電流的困難來自於對測量的各種幹擾。本文將討論兩個實驗板電路，這些電路必須處理表面洩漏、放大器偏置電流引起的誤差，甚至宇宙射線等問題。與大多數電路一樣，EMI（電磁輻射）或 RFI（射頻幹擾）都會帶來誤差，但在這種低水平上，即使靜電耦合也會帶來問題。當要測量的電流小到毫微微安範圍時，電路容易遭受更多幹擾的影響。溼度會改變電容的數值，造成較大的表面洩漏；振動會在電路中產生壓電效應；即使是室內風扇引起的微小溫度改變也會在 PCB 上形成溫度梯度，造成虛假讀數；室內光線也會降低測量的精度，螢光燈的光線會進入一支檢測二極體的透明端，造成幹擾（參考文獻1）。

　　如果要確定晶體振蕩器的性能，則需要精確測量小電流。Linear Technology 的科學家，同時也是EDN的長期撰稿人Jim Williams演示了他為一個客戶設計的一款電路，該客戶需要測量一個32kHz手錶晶體的均方根（rms）電流（圖1）。這種測量的一個難點在於，即使一個FET探頭的1pF電容也會影響到晶體的振蕩。確切地說，電流測量的目標之一是為每個晶振確定所使用低值電容器的大小。這種測量的進一步的困難是必須在32kHz下準確地實時測量，這就排除了使用積分電容器的可能。這種信號是一種複雜的交流信號，系統設計者必須將其轉換為rms（均方根）值才能作評估。

　　Williams稱：「石英晶體的rms工作電流對長期穩定性、溫度係數和可靠性都很重要。」他說，小型化需求會帶來寄生問題，尤其是電容，使rms 晶體電流的精確檢測更加複雜，特別是對微功率類型的晶體。他解釋說，採用圖2中的高增益低噪聲放大器，結合一隻商品化的閉合磁芯電流探頭就可以測量，一個rms-dc轉換器就可提供rms值。圖中虛線表示石英晶體的測試電路，它示範了一個典型的測量情況。Williams使用 Tektronix CT-1電流探頭來監控晶體電流，它只產生極小的寄生負載。同軸電纜將探頭的50Ω饋送至A1，A1 和A2得到1120的閉環增益，高於標稱1000的額外增益，用於校正在32.768 kHz下CT-1 的 12% 低頻增益誤差。