小電流精確測量

1、 應用指南系列 1 編號 100 小電流測量 小電流測量 基本電流測量 基本電流測量 在典型電路(參見圖 1a)中， 一個源使電流(I)流過電路。 任 何電流測量的目標都是在電路中串聯(lián)一個安培計，使安 培計測得的電流與原始流過電路的電流完全相同。為了 實現(xiàn)這一目的，在 A 點和 B 點之間斷開電路，如圖 1b 所示連接安培計。在理想情況下，電流表對電路完全沒 有影響。 然而， 在實際測量中， 可能會出現(xiàn)多種誤差源。 正如我們在下文中討

2、論的一樣，這些誤差源會造成明顯 的測量不確定性。 任何安培計均可模型化為包括圖 1b 所示的三個獨立 電路元件：由連接至安培計的輸入電纜形成的分流電阻 (RSH)；一個不希望的電流發(fā)生器(IC)，主要代表電路互連 產(chǎn)生的電流；內(nèi)阻(RM)，包括串聯(lián)電纜電阻。請注意， RM與理想安培計(MI)串聯(lián)，本身沒有電阻或電流源。 在將一個安培計接入被測電路時， 安培計的示值等于 電路中未串聯(lián)安培計時流過電路的電流減去電路模型中 的元件造成的誤差。

3、這些誤差包括通過模型分流電阻的 電流、互連產(chǎn)生的電流、整個安培計模型上的電壓降引 起的誤差，以及安培計本身的不確定度。 對于常規(guī)范圍(典型>1mA)的電流測量值， 由安培計電 壓降、分流電流和噪聲電流引起的誤差通常足夠小，可 忽略不計。在這種情況下，顯示的電流讀數(shù)幾乎等于實 際電流加上或減去安培計的固有不確定度(UM)。設計用 于測量這些常規(guī)電流的儀表通常包括一個電壓表電路， 它測量與被測電路串聯(lián)的分流電阻上的電壓降(參見下文中關

4、于分流安培計的討論)。電壓表提供的讀數(shù)與電流 成正比。 不幸的是，此類儀表產(chǎn)生的電壓降(輸入電壓降)往 往在 200mV 至大約 2V 范圍內(nèi)。 該壓降足以造成常規(guī)范 圍以下的電流測量誤差。為避免如此大的壓降，皮安表 和靜電計在輸入級采用帶負反饋的高增益放大器。 這樣 就大大降低了電壓降——數(shù)量級為 200μV 或更小。 低電 壓降減小了測量誤差， 以及達到規(guī)定的準確度必須要維 持的最小分流電阻。所以，所以無需采取特別措施來獲 得不尋

5、常的大電纜電阻。 采用反饋安培計的典型皮安表或靜電計的靈敏度通 常為 1fA (10-15A)或更小，典型準確度為 0.1%至 3%。 分流式和反饋式安培計 分流式和反饋式安培計 測量小電流有兩種基本技術：分流法和反饋安培計法。 分流器配置主要用于 DMM (數(shù)字多用表)及老式靜電計 中，反饋模式中的電纜電容在這些儀表中會產(chǎn)生故障。 皮安表和較新的靜電計只采用反饋式安培計配置。 皮安 表和靜電計的主要區(qū)別是靜電計為多功能儀器， 而皮安

6、 表則只測量電流。還有，典型靜電計比典型皮安表的電 流靈敏度好幾個數(shù)量級。 分流式皮安表 分流式皮安表 利用一個電阻對靜電計電壓表的輸入進行分流則形成 一個分流式安培計，如圖 2 所示。輸入電流(IIN)在分流 電阻(RSHUNT)上產(chǎn)生一個如下所示的輸入電壓 EIN： 圖 2：分流式安培計 ：分流式安培計 EIN = IINRSHUNT 能會在互連中產(chǎn)生噪聲。IRE是由于分流電阻的熱活性產(chǎn) 生的，噪聲電流的 rms 值由下式給出： R

7、E SH I = 4KTf/R式中，k =波耳茲曼常數(shù)(1.38 × 10–23J/K) T =絕對溫度，K f =噪聲帶寬，Hz RSH =電阻值，? 由于峰-峰噪聲大約為 rms 值的 5 倍，所以當測量高 于 10-14A 的電流時，噪聲電流可忽略。 最后，IIE是測量儀器中誤差電流的特定總和。 噪聲電流 噪聲電流 以上模型中的噪聲電流發(fā)生器 ICE、ISE和 IIE表示電路中 特定點產(chǎn)生的不希望電流。這些電流可

8、能是由于摩擦起 電、壓電效應、電化效應或者電阻性漏流或介質(zhì)吸收造 成的。 摩擦電流(圖 6 所示)是由于導體和絕緣體之間摩擦而 在交界面上產(chǎn)生的電荷形成的。自由電子由于摩擦離開 導體，造成電荷不平衡，由此產(chǎn)生電流。同軸電纜內(nèi)絕 緣材料和導體相互摩擦產(chǎn)生的電流就是一個典型的例子。 為了將這一問題最小化，可采用專用的低噪聲同軸電纜 和三軸電纜。 圖 6：摩擦效應 ：摩擦效應 圖 7：壓電效應 ：壓電效應 圖 8：電化效應 ：電化效應 在特

9、定的絕緣材料上施加機械應力時就會產(chǎn)生壓電 電流(圖 7)。這些電流產(chǎn)生于用作絕緣材料及互連硬件 的陶瓷和其他結(jié)晶材料內(nèi)。 在很多塑料中都會發(fā)生類似 的電荷存儲效應。 如圖 8 所示，電化效應也會引起噪聲電流。圖中的 化學成份在電路板上兩個導體之間形成了弱電池。 例如， 當常用的環(huán)氧印制板未用蝕刻溶液、 助溶劑或其他材料 徹底清潔時，就會產(chǎn)生幾個納安的電流。為防止這些誤 差電流，所有互連電路都應該用清潔液徹底清潔，例如 甲醇，然后在使用之

10、前徹底晾干。 當施加于絕緣體的電壓造成絕緣體內(nèi)的正、負電荷 極化時，就會發(fā)生壓電效應。電壓消除后，當分離的電 荷重新組合時，就會通過外部電路產(chǎn)生一個衰減電流。 在測量敏感電流時， 避免向絕緣體施加超過幾個伏特的 電壓， 可將介質(zhì)吸收效應降至最低。 如果實在不可避免， 介質(zhì)吸收引起的電流需要幾分鐘甚至幾個小時才能消 失。 圖 9 中匯總了各種電流發(fā)生效應的大約幅值。 圖 9：小電流現(xiàn)象產(chǎn)生的電流的典型幅值 ：小電流現(xiàn)象產(chǎn)生的電流的典型幅值