微弱電流檢測技術分析

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中克敵制勝的關鍵。總體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和應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，微弱電流檢測本質上是一種抑制噪聲的技術[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管靈活運用，最終實測電流達到10-15A[3]。隨著集成電路技術的發展，現在微弱電流檢測的儀器已經商業化。

1 微弱電流檢測技術的方法

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生電壓。高輸入阻抗法也被稱為直放式。

此時運算放大器轉換后，輸出電壓與輸入電流的關系則為：

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的核心。眾所周知再波放大線性組件技術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節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果造成非常不利的影響，因此設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。總噪聲輸出表示為：

Y為串聯、并聯噪聲的相關系數。

由于

由上可得，伴隨時間的推進和疊加，噪聲影響也會愈發變小。所以，用這種類型的轉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，這是這一方法的優勢，而電路響應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變換是把轉換電壓當做中間量，在電流通過反饋放大鏡之后使之轉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定性的積分電容，先把電流信號轉換成鋸齒波的電壓信號，再轉換成頻率信號[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的關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的原因。因此，保持干燥和清潔的焊接調試環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）在設計電路時就應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 微弱電流檢測技術的展望

微弱電流檢測技術在半導體生產、絕緣材料、微納加工等各個領域，有著重要的地位，具有廣泛的應用空間。在此領域的發展，會推動與之相關的半導體技術、集成電路技術等一大批技術的進步。

4 結論

理論創新推動微弱電流檢測技術的進步，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也一定會被廣泛應用。

[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[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，2003（01）：94-96.