微弱電流檢測技術(shù)分析

史凱峰，董 波，徐兆北

（三江學院，南京 210012）

微弱電流檢測技術(shù)分析

史凱峰，董 波，徐兆北

（三江學院，南京 210012）

微弱電流有個廣為人知的定義，即小于10-6安培的電流。由于其極易為噪聲淹沒的特性，如何抵御噪聲，如何把有用信號從噪聲中提取就成為了微弱電流檢測技術(shù)中克敵制勝的關(guān)鍵?？傮w說來有兩種檢測方法，一是I-V變換法，另一是I-F變換法。

微弱電流；檢測；噪聲；I-V變換法；I-F變換法

0 前言

微弱電流即為小于10-6安培的電流[1]，在影響國計民生的半導體、微納加工以及絕緣材料的生產(chǎn)和應(yīng)用方面有著不可替代的作用。由于其易被噪聲掩蓋的特性，如何抵御噪聲的干擾并成功提取，就成為了重中之重。因此，微弱電流檢測本質(zhì)上是一種抑制噪聲的技術(shù)[2]。上世紀50 年代，霍夫斯塔德（Hafstad）通過FP-54靜電計管，用幾分鐘時間測出了3×10-19A 的電流[3]。Chaplin 在1957 年完成了第一臺晶體管的載波調(diào)制直流放大器，它具有10-9A 的微弱電流檢測能力[3]。在普通放大電路中，McCaslin也做到了把低泄露絕緣柵場效應(yīng)管靈活運用，最終實測電流達到10-15A[3]。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在微弱電流檢測的儀器已經(jīng)商業(yè)化。

1 微弱電流檢測技術(shù)的方法

在目前條件下，一般用兩種方法檢測微弱電流。其一為先令微弱電流通過高值電阻，從而轉(zhuǎn)化成電壓，接著測量相對較大電壓的電流，即I-V變換；其二是通過把微弱電流轉(zhuǎn)化成頻率的方法得到電流信息，即I-F變換。

1.1 I-V變換法

由于轉(zhuǎn)換方式的不同，本方法可以分為：其一高輸入阻抗法，該方法是將輸入電流轉(zhuǎn)換成高值電阻兩端的電壓；另一種是積分法，該方法是將輸入電流對放大器連接的電容充電，在放大器的輸出端產(chǎn)生電壓。高輸入阻抗法也被稱為直放式。

此時運算放大器轉(zhuǎn)換后，輸出電壓與輸入電流的關(guān)系則為：

V0=-Ii×Rf

噪聲和漂移問題影響著微弱電流檢測的分辨率和靈敏度，為此降噪降漂是測量技術(shù)的核心。眾所周知再波放大線性組件技術(shù)雖然不能有效的降低噪聲，但是解決漂移問題還是不錯的。為了兩者都能被降低，所以一般大家都會用積分環(huán)節(jié)的微弱電流測量電路的原理來降噪[4]。

電流負反饋法通常被用來測量微弱電流，以及進行I-V變換。然而這個放大器是處于第一級，它本身所帶來的噪聲會對測量結(jié)果造成非常不利的影響，因此設(shè)法使該級噪聲降低是就成了主要問題。通過對近期普遍的I-V變換電路的噪聲模型[5]。很多因素都可能會導致放大器噪聲，但是綜合來說，運算放大器的有源和電路的熱噪聲是兩個最主要的因素?？傇肼曒敵霰硎緸椋?/p>

Y為串聯(lián)、并聯(lián)噪聲的相關(guān)系數(shù)。

由于

由上可得，伴隨時間的推進和疊加，噪聲影響也會愈發(fā)變小。所以，用這種類型的轉(zhuǎn)換電路測量微弱電流的話，可以在很大程度上減小噪聲對微弱電流的影響，這是這一方法的優(yōu)勢，而電路響應(yīng)時間相對來說比較長則是積分法的劣勢。

1.2 I-F變換法

基于I-F 變換的微弱電流檢測，可以分為反饋電流放大型I-F變換和反饋電流積分型I-F變換兩種方法。

反饋電流放大型I-F變換是把轉(zhuǎn)換電壓當做中間量，在電流通過反饋放大鏡之后使之轉(zhuǎn)換為和電流相符合的信號頻率。這個方法在操作的過程中引入了很大的負反饋電阻，這樣一來造成了其穩(wěn)定性比較差的情況，也就成了這一方法很難克服的缺點。

反饋電流積分型I-F變換的原理是在反饋回路中接高穩(wěn)定性的積分電容，先把電流信號轉(zhuǎn)換成鋸齒波的電壓信號，再轉(zhuǎn)換成頻率信號[7]。和上面說到的方法對比，此方法在抗干擾和穩(wěn)定性方面明顯更勝一籌，但是延遲時間過大的問題導致其不能適應(yīng)高速信號的處理工作，也是有利有弊，選用時需要多加注意。

2 微弱電流檢測技術(shù)中對噪聲的處理

如前文所述，微弱電流是極其容易被噪聲淹沒的，故而微弱電流檢測這項技術(shù)的關(guān)鍵點就在于如何降低噪聲的干擾，并且把信號和噪聲剝離，提取出信號。在具體實現(xiàn)降噪排除干擾這項工作時，有以下需要注意的地方：

（1）測量元器件應(yīng)保有足夠高的絕緣電阻。在涉及信號輸入端和反饋元件之間的引線時，應(yīng)盡量采用低漏電屏蔽導線或者用聚四氟乙烯支座。在輸入端和信號電壓或電源引線之間的絕緣電阻的減小原因中，電路元器件封裝上的助焊劑和電路板表面的不潔物都是可能引發(fā)的原因。因此，保持干燥和清潔的焊接調(diào)試環(huán)境是十分必要和重要的；

（2）前置放大電路的布線要盡量合理。在走線時，前置放大電路的輸入導線和輸出導線一定要分開，并行走線絕不可取。在保證屏蔽線布置得短且粗的情況下，垂直布線是比較好的選擇；

（3）在設(shè)計電路時就應(yīng)該考慮到如何通過濾波電路去抑制電源等物造成的雜波干擾，盡量使用線性電源，加入濾波電路也十分必要。此外，減小電源紋波來提高信號噪聲比也是可行的；

（4）要注意屏蔽密封，并將屏蔽環(huán)與管殼、屏蔽盒連接、信號地、電路板都需要布屏蔽保護措施。

3 微弱電流檢測技術(shù)的展望

微弱電流檢測技術(shù)在半導體生產(chǎn)、絕緣材料、微納加工等各個領(lǐng)域，有著重要的地位，具有廣泛的應(yīng)用空間。在此領(lǐng)域的發(fā)展，會推動與之相關(guān)的半導體技術(shù)、集成電路技術(shù)等一大批技術(shù)的進步。

4 結(jié)論

理論創(chuàng)新推動微弱電流檢測技術(shù)的進步，與此同時半導體、集成電路和信息處理理論方面取得的進展，伴隨著電子元器件方面的改進，更加強大的微弱電流檢測技術(shù)也一定會被廣泛應(yīng)用。

[1]陳文薌，陳新.采用積分型電路的微電流測量[J].分析儀器，1998（03）：22-24.

[2]王衛(wèi)勛.微弱電流檢測方法的研究[D].西安：西安理工大學，2007：1.

[3][美]E.J.肯尼迪.晶體管靜電計基礎(chǔ)[M].北京：原子能出版社，1981：1-15.

[4]周怡.一種微電流放大器的設(shè)計與探討[J].廣西物理，1999（02）：46-47.

[5]陳文蘿，陳新.采用積分型電路的微電流測量[J].分析儀器，1998（03）：22-24.

[6]曾慶勇.微弱信號檢測[M].上海：浙江大學出版社，1986：119-121 [7]周波，蘇弘.弱電流測試儀的研制[J].核電子學與探測技術(shù)，2003（01）：94-96.