小電流精確測(cè)量

1、 應(yīng)用指南系列 1 編號(hào) 100 小電流測(cè)量 小電流測(cè)量 基本電流測(cè)量 基本電流測(cè)量 在典型電路(參見(jiàn)圖 1a)中， 一個(gè)源使電流(I)流過(guò)電路。 任 何電流測(cè)量的目標(biāo)都是在電路中串聯(lián)一個(gè)安培計(jì)，使安 培計(jì)測(cè)得的電流與原始流過(guò)電路的電流完全相同。為了 實(shí)現(xiàn)這一目的，在 A 點(diǎn)和 B 點(diǎn)之間斷開(kāi)電路，如圖 1b 所示連接安培計(jì)。在理想情況下，電流表對(duì)電路完全沒(méi) 有影響。 然而， 在實(shí)際測(cè)量中， 可能會(huì)出現(xiàn)多種誤差源。 正如我們?cè)谙挛闹杏?/p>

2、論的一樣，這些誤差源會(huì)造成明顯 的測(cè)量不確定性。 任何安培計(jì)均可模型化為包括圖 1b 所示的三個(gè)獨(dú)立 電路元件：由連接至安培計(jì)的輸入電纜形成的分流電阻 (RSH)；一個(gè)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(qǐng)注意， RM與理想安培計(jì)(MI)串聯(lián)，本身沒(méi)有電阻或電流源。 在將一個(gè)安培計(jì)接入被測(cè)電路時(shí)， 安培計(jì)的示值等于 電路中未串聯(lián)安培計(jì)時(shí)流過(guò)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(guò)模型分流電阻的 電流、互連產(chǎn)生的電流、整個(gè)安培計(jì)模型上的電壓降引 起的誤差，以及安培計(jì)本身的不確定度。 對(duì)于常規(guī)范圍(典型>1mA)的電流測(cè)量值， 由安培計(jì)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(jì)。在這種情況下，顯示的電流讀數(shù)幾乎等于實(shí) 際電流加上或減去安培計(jì)的固有不確定度(UM)。設(shè)計(jì)用 于測(cè)量這些常規(guī)電流的儀表通常包括一個(gè)電壓表電路， 它測(cè)量與被測(cè)電路串聯(lián)的分流電阻上的電壓降(參見(jiàn)下文中關(guān)

4、于分流安培計(jì)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(cè)量誤差。為避免如此大的壓降，皮安表 和靜電計(jì)在輸入級(jí)采用帶負(fù)反饋的高增益放大器。 這樣 就大大降低了電壓降——數(shù)量級(jí)為 200μV 或更小。 低電 壓降減小了測(cè)量誤差， 以及達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度必須要維 持的最小分流電阻。所以，所以無(wú)需采取特別措施來(lái)獲 得不尋

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

6、 表則只測(cè)量電流。還有，典型靜電計(jì)比典型皮安表的電 流靈敏度好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 分流式皮安表 分流式皮安表 利用一個(gè)電阻對(duì)靜電計(jì)電壓表的輸入進(jìn)行分流則形成 一個(gè)分流式安培計(jì)，如圖 2 所示。輸入電流(IIN)在分流 電阻(RSHUNT)上產(chǎn)生一個(gè)如下所示的輸入電壓 EIN： 圖 2：分流式安培計(jì) ：分流式安培計(jì) EIN = IINRSHUNT 能會(huì)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(duì)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(dāng)測(cè)量高 于 10-14A 的電流時(shí)，噪聲電流可忽略。 最后，IIE是測(cè)量?jī)x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(diǎn)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(yīng)、電化效應(yīng)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(dǎo)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(kāi) 導(dǎo)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(dǎo)體相互摩擦產(chǎn)生的電流就是一個(gè)典型的例子。 為了將這一問(wèn)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(yīng) ：摩擦效應(yīng) 圖 7：壓電效應(yīng) ：壓電效應(yīng) 圖 8：電化效應(yīng) ：電化效應(yīng) 在特

9、定的絕緣材料上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)就會(huì)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(huì)發(fā)生類似 的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)。 如圖 8 所示，電化效應(yīng)也會(huì)引起噪聲電流。圖中的 化學(xué)成份在電路板上兩個(gè)導(dǎo)體之間形成了弱電池。 例如， 當(dāng)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(shí)，就會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)納安的電流。為防止這些誤 差電流，所有互連電路都應(yīng)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(dāng)施加于絕緣體的電壓造成絕緣體內(nèi)的正、負(fù)電荷 極化時(shí)，就會(huì)發(fā)生壓電效應(yīng)。電壓消除后，當(dāng)分離的電 荷重新組合時(shí)，就會(huì)通過(guò)外部電路產(chǎn)生一個(gè)衰減電流。 在測(cè)量敏感電流時(shí)， 避免向絕緣體施加超過(guò)幾個(gè)伏特的 電壓， 可將介質(zhì)吸收效應(yīng)降至最低。 如果實(shí)在不可避免， 介質(zhì)吸收引起的電流需要幾分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)才能消 失。 圖 9 中匯總了各種電流發(fā)生效應(yīng)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