1. 為什么我要自己動手做一臺皮安表手頭有一批傳感器和材料樣品暗電流和漏電流都在皮安級別用普通萬用表根本測不出來——表筆一接上去讀數(shù)直接跳到微安甚至毫安那全是干擾和偏置電流跟真實信號沒半點關(guān)系。市面上能測到皮安的儀器不是沒有但價格動輒幾萬起步而且很多是臺式機體積大、接口封閉想集成到自己的自動化測試平臺里非常別扭。于是我就動了自制的念頭用跨阻放大器把微弱電流轉(zhuǎn)成電壓再用可編程電壓源做偏置最后加上自動量程切換做一臺能真正跑起來、能長時間穩(wěn)定讀數(shù)的皮安表。這個項目適合誰看如果你在做半導(dǎo)體器件表征、光電探測器暗電流測試、電化學(xué)微電流監(jiān)測或者單純對飛安到微安量級的電流測量感興趣那這篇內(nèi)容應(yīng)該能幫到你。它不需要你有很深的模擬電路功底但需要你愿意動手、愿意調(diào)試因為微弱電流測量這件事電路圖只是起點真正的功夫全在布局、屏蔽和接地這些細節(jié)上。我先把整體思路說清楚核心是一個跨阻放大器TIA它把輸入電流乘以反饋電阻輸出一個電壓。比如反饋電阻取 1 GΩ輸入 1 pA輸出就是 1 mV。這個電壓再經(jīng)過后級放大、濾波送進 ADC 采集。量程切換靠的是切換不同阻值的反饋電阻而偏置電壓則由一個可編程電壓源提供用來給被測器件施加工作點。聽起來簡單但每一環(huán)都有坑下面我按實際搭建的順序把關(guān)鍵決策和踩過的坑一個個講清楚。2. 跨阻放大器皮安測量的心臟2.1 為什么選跨阻放大器而不是直接測電流測量微弱電流有幾種思路一種是串一個采樣電阻測電阻兩端的電壓降另一種就是用跨阻放大器。前者的問題在于要測 1 pA 的電流如果采樣電阻取 1 GΩ那電阻上的壓降是 1 mV但電阻本身的熱噪聲和運放的輸入偏置電流會直接淹沒信號。更麻煩的是采樣電阻會引入一個負載壓降改變被測器件的工作點這在半導(dǎo)體測試?yán)锸侵旅??？缱璺糯笃鞯暮锰幨禽斎攵耸翘摰乇粶y器件幾乎感覺不到負載工作點穩(wěn)定。而且反饋電阻的阻值可以做得很大把微弱電流放大到容易采集的電壓范圍。運放的輸入偏置電流是關(guān)鍵指標(biāo)必須選飛安級輸入的運放比如 LMP7721、ADA4530-1 這類。我一開始圖便宜用了 TL072結(jié)果輸入偏置電流就有幾十皮安測出來的全是運放自己的偏置根本沒法用。后來換成 ADA4530-1輸入偏置電流典型值只有 20 fA這才算真正能測皮安。2.2 反饋電阻的選擇與量程設(shè)計反饋電阻決定了跨阻增益。理論上反饋電阻越大能測的電流越小。但電阻越大熱噪聲也越大而且大阻值電阻的電壓系數(shù)、溫度系數(shù)都會變差。我實際用的是 1 MΩ、10 MΩ、100 MΩ、1 GΩ、10 GΩ 五檔覆蓋 1 pA 到 1 μA 的范圍。每一檔對應(yīng)的輸出滿量程我設(shè)定在 1 V 左右這樣后級 ADC 的利用率最高。這里有個計算如果反饋電阻是 1 GΩ輸出滿量程 1 V那能測的最大電流就是 1 nA。再大的電流就會讓運放輸出飽和。所以量程切換的邏輯就是當(dāng)輸出接近滿量程時自動切換到更小阻值的反饋電阻當(dāng)輸出很小、信噪比不夠時切換到更大阻值的反饋電阻。這個邏輯后面會詳細講。反饋電阻的選型也有講究。普通厚膜電阻的阻值隨電壓變化明顯在皮安級別下電壓系數(shù)帶來的誤差可能比信號還大。我用的是玻璃封裝的高阻值電阻或者用多個低阻值電阻串聯(lián)來降低單個電阻上的電壓應(yīng)力。實測下來串聯(lián)方案雖然占板面積大但線性度確實更好。2.3 運放輸入端的保護與屏蔽皮安級測量最怕的就是漏電流。PCB 表面的漏電流、電纜的漏電流、甚至空氣里的濕度都會影響讀數(shù)。我的做法是運放輸入端用保護環(huán)Guard Ring包圍保護環(huán)接到與輸入端同電位的低阻抗點通常是運放的同相輸入端或者一個緩沖后的參考電壓。這樣PCB 表面的漏電流會流向保護環(huán)而不是流向輸入端。保護環(huán)的布線要盡量靠近輸入端引腳并且要在 PCB 的正反兩面都做。我用的是 FR4 板材但表面做了清潔處理涂了三防漆。實測發(fā)現(xiàn)如果不涂三防漆濕度從 30% 變到 70% 時讀數(shù)能漂移 20% 以上。涂了三防漆之后漂移控制在 5% 以內(nèi)。另外輸入電纜用的是低噪聲同軸電纜外屏蔽層接到保護環(huán)內(nèi)芯接輸入端。電纜的絕緣電阻也很關(guān)鍵普通 PVC 絕緣的電纜漏電流太大我用的是 PTFE 絕緣的。提示焊接完運放和反饋電阻后一定要用異丙醇清洗 PCB再用熱風(fēng)槍吹干。手上的汗?jié)n、助焊劑殘留都會形成漏電通路在皮安級別下這些漏電可能比信號還大。3. 自動量程切換讓皮安表自己找檔位3.1 量程切換的硬件實現(xiàn)自動量程的核心是模擬開關(guān)切換反饋電阻。但普通模擬開關(guān)的漏電流在皮安級別下完全不能用比如 CD4051 的漏電流就有幾十納安直接就把信號淹沒了。我選的是干簧繼電器比如 Coto 的 9007 系列漏電流在飛安級別而且導(dǎo)通電阻低、寄生電容小。雖然體積大、功耗高但在皮安測量里繼電器是繞不開的選擇。繼電器的驅(qū)動用 ULN2003 或者專門的繼電器驅(qū)動芯片注意驅(qū)動線圈的續(xù)流二極管要選低漏電流的否則線圈關(guān)斷時產(chǎn)生的反電動勢會通過寄生電容耦合到輸入端。我在繼電器線圈兩端并聯(lián)了一個 1N4148但后來發(fā)現(xiàn) 1N4148 的反向漏電流在高溫下也不小換成了 BAS116 這種低漏電流的開關(guān)二極管。3.2 量程判斷邏輯與遲滯設(shè)計自動量程的判斷邏輯很簡單ADC 讀到的電壓如果超過滿量程的 90%就切換到更小阻值的反饋電阻如果低于滿量程的 10%就切換到更大阻值的反饋電阻。但這里有個坑如果沒有遲滯量程會在邊界附近反復(fù)切換導(dǎo)致讀數(shù)跳動。我的做法是設(shè)置兩個閾值切換到大阻值量程的閾值是滿量程的 10%切換回小阻值量程的閾值是滿量程的 90%。這樣中間有 80% 的遲滯帶量程不會頻繁切換。另外切換量程時需要暫時斷開輸入否則繼電器切換瞬間的電荷注入會讓后級放大器飽和。我的做法是在切換前先把后級放大器置零切換完成后再恢復(fù)。這個時序用單片機控制延時大概 10 ms足夠繼電器穩(wěn)定。3.3 量程切換的實測效果我實測了從 1 pA 到 1 μA 的電流自動量程切換的準(zhǔn)確度在 1% 以內(nèi)。切換時間從最慢的 10 GΩ 檔到最快的 1 MΩ 檔大概需要 50 ms包括繼電器動作和放大器穩(wěn)定。這個速度對于大多數(shù)靜態(tài)測試足夠了但如果要做動態(tài)電流波形采集就需要更快的切換方案比如用 JFET 或者 CMOS 開關(guān)但漏電流會大一些需要權(quán)衡。量程檔位反饋電阻可測電流范圍切換時間11 MΩ1 μA ~ 100 μA20 ms210 MΩ100 nA ~ 10 μA25 ms3100 MΩ10 nA ~ 1 μA30 ms41 GΩ1 nA ~ 100 nA40 ms510 GΩ1 pA ~ 10 nA50 ms4. 可編程電壓源給被測器件一個穩(wěn)定的偏置4.1 為什么需要可編程電壓源很多微弱電流測量場景需要給被測器件施加一個偏置電壓比如光電二極管需要反偏電壓電化學(xué)傳感器需要工作電極電壓。這個偏置電壓的穩(wěn)定性直接影響電流讀數(shù)。如果偏置電壓漂移 1 mV對于 1 GΩ 的等效電阻電流就會漂移 1 pA。所以偏置電壓的噪聲和漂移必須遠小于這個量級。我用的是 DAC 加運放緩沖的方案。DAC 選的是 16 位的 DAC8552輸出經(jīng)過一個低噪聲運放緩沖再經(jīng)過 RC 濾波。DAC 的參考電壓用 LM399 或者 LTZ1000 這類高穩(wěn)定基準(zhǔn)溫漂在 0.1 ppm/°C 級別。實測下來偏置電壓的短期噪聲在 10 μV 以內(nèi)對于皮安測量足夠了。4.2 偏置電壓的噪聲抑制DAC 的輸出噪聲主要來自參考電壓和 DAC 本身的量化噪聲。16 位 DAC 在 5 V 滿量程下的量化步長是 76 μV這個量化噪聲對于皮安測量來說還是有點大。我的做法是在 DAC 輸出后加一個二階 RC 低通濾波器截止頻率設(shè)在 1 Hz 左右把高頻噪聲濾掉。但截止頻率太低會影響建立時間所以我在濾波器和被測器件之間加了一個模擬開關(guān)只在測量時接通測量前先讓濾波器充分建立。另外偏置電壓的接地也很關(guān)鍵。DAC 的模擬地和被測器件的接地要單點連接避免地環(huán)路引入噪聲。我用的是星形接地所有模擬地都匯到運放輸入端的參考地數(shù)字地單獨走最后在電源入口處單點連接。4.3 偏置電壓的掃描功能除了固定偏置我還加了電壓掃描功能可以按設(shè)定的步進和速率輸出 0 到 5 V 的掃描電壓。這對于測 I-V 曲線非常有用。掃描的步進最小可以做到 76 μV速率從 1 mV/s 到 1 V/s 可調(diào)。掃描過程中每個點測量前會等待一個設(shè)定的穩(wěn)定時間確保被測器件的電流達到穩(wěn)態(tài)。這個穩(wěn)定時間對于不同的器件差別很大比如光電二極管可能幾毫秒就夠了但電化學(xué)傳感器可能需要幾秒甚至幾分鐘。5. 布局、屏蔽與接地決定成敗的隱形細節(jié)5.1 PCB 布局的優(yōu)先級皮安表的 PCB 布局跟普通模擬電路完全不是一個思路。普通電路講究信號流向、電源去耦皮安表首先要考慮的是漏電流和寄生電容。我的布局原則是運放輸入端盡量短保護環(huán)盡量寬反饋電阻盡量靠近運放繼電器盡量遠離輸入端。電源線和數(shù)字線要遠離輸入端如果實在避不開就在中間加一條接地屏蔽線。PCB 的層疊也很重要。我用的是四層板頂層走信號第二層是完整的地平面第三層是電源底層走數(shù)字信號。地平面要完整不能有分割否則漏電流會沿著分割縫隙流動。運放輸入端的焊盤要盡量小因為焊盤越大表面的漏電流路徑越寬。5.2 屏蔽盒與電纜的處理PCB 做好之后我把它裝進一個鋁合金屏蔽盒里。屏蔽盒接到模擬地形成一個法拉第籠把外界的電磁干擾擋在外面。但屏蔽盒也會引入寄生電容尤其是輸入端靠近盒壁時寄生電容可能達到幾皮法影響放大器的穩(wěn)定性。我的做法是在輸入端對應(yīng)的盒壁位置開一個孔讓輸入電纜直接穿過減少寄生電容。輸入電纜用的是三同軸電纜內(nèi)芯接輸入端內(nèi)屏蔽接保護環(huán)外屏蔽接屏蔽盒。三同軸電纜的好處是內(nèi)屏蔽把內(nèi)芯和外屏蔽隔開減少了電纜的漏電流和寄生電容。電纜的接頭用的是低漏電流的 triax 接頭普通 BNC 接頭的絕緣電阻不夠漏電流在皮安級別下很明顯。5.3 接地策略與實測對比接地是皮安表調(diào)試中最玄學(xué)的部分。我試過三種接地方案第一種是模擬地和數(shù)字地完全分開只在電源入口單點連接第二種是模擬地和數(shù)字地大面積連接第三種是模擬地浮空只通過一個 1 MΩ 電阻連接到數(shù)字地。實測下來第一種方案噪聲最低但布線復(fù)雜第二種方案噪聲最大數(shù)字噪聲會耦合到模擬部分第三種方案噪聲介于兩者之間但容易受靜電影響。最后我選了第一種方案并且在模擬地和數(shù)字地之間加了一個 0 Ω 電阻方便調(diào)試時切換。實測噪聲從第二種方案的 50 pA RMS 降到了第一種方案的 2 pA RMS效果非常明顯。注意接地方案沒有絕對的對錯跟具體的電路布局、電源質(zhì)量、外界環(huán)境都有關(guān)系。我的建議是預(yù)留多種接地方案的跳線實際調(diào)試時逐個嘗試用示波器和頻譜分析儀看噪聲選最優(yōu)的方案。6. 調(diào)試過程中踩過的坑與解決方案6.1 運放自激振蕩最讓人頭疼的問題跨阻放大器最容易自激尤其是反饋電阻大、輸入電容大的時候。我一開始用 10 GΩ 反饋電阻運放輸出直接振蕩頻率大概幾十 kHz幅度幾百毫伏。原因是運放的輸入電容和反饋電阻形成了一個極點加上運放本身的相位裕度不夠就振蕩了。解決辦法是在反饋電阻兩端并聯(lián)一個小電容形成一個零點補償相位。電容的值需要計算假設(shè)運放的輸入電容是 5 pF反饋電阻是 10 GΩ那極點頻率是 1/(2π×10G×5p) ≈ 3.2 Hz。為了在 3.2 Hz 處提供足夠的相位裕度反饋電容需要滿足 C_f ≥ sqrt(C_in/(2π×R_f×GBW))。我實際用的是 0.1 pF 的電容用兩個 0.2 pF 串聯(lián)得到實測振蕩消失了帶寬大概在 100 Hz 左右。6.2 繼電器切換時的電荷注入繼電器切換反饋電阻時觸點上的電荷會注入到運放輸入端導(dǎo)致輸出跳變。這個跳變幅度可能達到幾伏讓后級放大器飽和需要很長時間才能恢復(fù)。我的解決辦法是在繼電器切換前先把運放的同相輸入端短接到地讓運放進入開環(huán)狀態(tài)輸出飽和到電源軌。切換完成后再釋放同相輸入端運放重新閉環(huán)建立時間就短很多。另外繼電器的觸點材料也很關(guān)鍵。普通銀觸點的接觸電勢在微伏級別對于皮安測量來說太大了。我用的是金觸點的繼電器接觸電勢在納伏級別基本可以忽略。6.3 電源噪聲的耦合路徑開關(guān)電源的噪聲會通過電源線耦合到運放影響讀數(shù)。我一開始用了一個普通的 DC-DC 模塊輸出紋波大概 50 mV結(jié)果皮安表的噪聲在 100 pA RMS 以上。后來換成了線性電源紋波降到 1 mV 以下噪聲也降到了 5 pA RMS。但線性電源效率低、發(fā)熱大所以我在線性電源前面加了一個預(yù)穩(wěn)壓的開關(guān)電源把電壓降到比目標(biāo)值高 2 V再線性穩(wěn)壓這樣效率發(fā)熱都能接受。電源的去耦也很重要。每個運放的電源引腳旁邊都要放一個 100 nF 的陶瓷電容和一個 10 μF 的鉭電容陶瓷電容要盡量靠近引腳。另外模擬電源和數(shù)字電源要分開走線最后在電源入口處單點連接。6.4 溫度漂移與長期穩(wěn)定性皮安表開機后需要預(yù)熱一段時間才能穩(wěn)定因為運放和電阻的溫度系數(shù)會導(dǎo)致讀數(shù)漂移。我實測下來開機后前 30 分鐘漂移大概 10 pA之后逐漸穩(wěn)定到 1 pA 以內(nèi)。為了加速穩(wěn)定我在屏蔽盒里加了一個小風(fēng)扇讓空氣流通減少溫度梯度。另外反饋電阻用的是低溫度系數(shù)的金屬箔電阻溫漂在 5 ppm/°C 以內(nèi)比普通厚膜電阻好很多。長期穩(wěn)定性方面我連續(xù)跑了 24 小時讀數(shù)漂移在 2 pA 以內(nèi)。這個漂移主要來自環(huán)境溫度的變化如果放在恒溫箱里漂移可以降到 0.5 pA 以內(nèi)。對于大多數(shù)應(yīng)用這個穩(wěn)定性已經(jīng)足夠了。7. 實測性能與典型應(yīng)用場景7.1 噪聲、帶寬與線性度實測我用 Keithley 2634B 作為參考源對比了自制皮安表和商用源表的讀數(shù)。在 1 pA 到 1 nA 范圍內(nèi)兩者的偏差在 2% 以內(nèi)。噪聲方面在 10 GΩ 檔位、10 Hz 帶寬下輸入等效噪聲電流大概是 1.5 pA RMS。帶寬方面10 GΩ 檔位的 -3 dB 帶寬大概是 100 Hz1 MΩ 檔位可以到 10 kHz。線性度方面在 1 pA 到 1 nA 范圍內(nèi)非線性誤差小于 0.5%。參數(shù)實測值備注電流范圍1 pA ~ 100 μA五檔自動量程輸入等效噪聲1.5 pA RMS10 GΩ 檔10 Hz 帶寬帶寬100 Hz ~ 10 kHz隨量程變化非線性誤差 0.5%1 pA ~ 1 nA偏置電壓范圍0 ~ 5 V16 位 DAC偏置電壓噪聲 10 μV RMS0.1 Hz ~ 10 Hz長期漂移 2 pA/24h室溫環(huán)境7.2 光電二極管暗電流測試我用這臺皮安表測了一個硅光電二極管的暗電流。在 0 V 偏置下暗電流大概是 5 pA在 5 V 反偏下暗電流增加到 50 pA。這個結(jié)果跟器件手冊上的典型值吻合。測試過程中我把光電二極管放在一個遮光的金屬盒里避免環(huán)境光的影響。偏置電壓從 0 V 掃描到 5 V步進 100 mV每個點穩(wěn)定 1 秒整個掃描大概 1 分鐘。得到的 I-V 曲線很平滑沒有明顯的跳變。7.3 電化學(xué)傳感器的微電流監(jiān)測我還試了一個電化學(xué)傳感器工作電極的電流在納安級別。偏置電壓設(shè)在 0.6 V電流大概是 2 nA。皮安表連續(xù)記錄了 1 小時電流的漂移在 5% 以內(nèi)主要是傳感器本身的漂移皮安表的貢獻很小。這個應(yīng)用對皮安表的長期穩(wěn)定性要求很高因為電化學(xué)過程本身很慢需要長時間監(jiān)測。7.4 其他潛在應(yīng)用除了上面兩個這臺皮安表還可以用于半導(dǎo)體器件的漏電流測試、絕緣材料的電阻測量、輻射探測器的暗電流測試、生物傳感器的微電流監(jiān)測等。基本上只要電流在皮安到微安范圍這臺皮安表都能派上用場。當(dāng)然不同的應(yīng)用對噪聲、帶寬、穩(wěn)定性的要求不同可能需要調(diào)整反饋電阻、濾波參數(shù)或者屏蔽方案。8. 關(guān)鍵元器件選型與成本清單8.1 運放與反饋電阻的選型對比運放是皮安表的核心選型主要看輸入偏置電流、噪聲、帶寬和價格。我對比了幾款常見的飛安級輸入運放型號輸入偏置電流電壓噪聲價格備注ADA4530-120 fA14 nV/√Hz高性能最好價格也最高LMP77213 fA6.5 nV/√Hz中性價比高但帶寬較低OPA129100 fA15 nV/√Hz中老型號性能一般INA1163 fA20 nV/√Hz高集成保護環(huán)使用方便我最后選了 ADA4530-1因為它的綜合性能最好而且有評估板可以參考布局。反饋電阻用的是 Vishay 的金屬箔電阻10 GΩ 的型號大概幾百塊一個但溫漂和電壓系數(shù)都很低。8.2 繼電器、DAC 與電源的選型繼電器選的是 Coto 9007-05-01金觸點漏電流在飛安級別價格大概幾十塊一個。DAC 用的是 DAC855216 位兩通道價格大概幾十塊?；鶞?zhǔn)電壓用的是 LM399溫漂 0.5 ppm/°C價格大概一百多。電源用的是線性穩(wěn)壓芯片 LT3045噪聲在 1 μV RMS 以下價格大概幾十塊。8.3 整體成本與制作周期整體成本大概在 2000 到 3000 元包括 PCB 打樣、元器件、屏蔽盒、電纜和接頭。制作周期大概兩周其中 PCB 打樣和元器件采購占一周焊接和調(diào)試占一周。調(diào)試是最耗時的部分尤其是解決自激振蕩和噪聲問題可能需要反復(fù)調(diào)整布局和參數(shù)。9. 從調(diào)試臺到機箱把皮安表做成一臺真正的儀器9.1 前面板與接口設(shè)計調(diào)試完成后我把皮安表裝進了一個標(biāo)準(zhǔn) 2U 機箱。前面板上有電源開關(guān)、量程指示燈、偏置電壓調(diào)節(jié)旋鈕和顯示屏。顯示屏用的是 12864 液晶顯示當(dāng)前量程、電流讀數(shù)和偏置電壓。后面板上有三同軸輸入接口、USB 通信接口和電源接口。USB 接口用來跟電腦通信可以遠程控制量程和偏置電壓也可以把數(shù)據(jù)傳到電腦上做進一步分析。9.2 固件與上位機軟件固件跑在 STM32 上主要功能是控制 DAC 輸出、讀取 ADC、切換量程、驅(qū)動顯示屏和 USB 通信。ADC 用的是 ADS125624 位采樣率最高 30 kSPS。固件里做了數(shù)字濾波用滑動平均濾掉工頻干擾。上位機軟件用 Python 寫的通過串口跟皮安表通信可以實時顯示電流曲線、設(shè)置偏置電壓、保存數(shù)據(jù)。9.3 校準(zhǔn)與標(biāo)定皮安表做好之后需要校準(zhǔn)。我用 Keithley 2634B 作為參考在每一個量程檔位下輸入幾個已知電流記錄皮安表的讀數(shù)然后擬合出校準(zhǔn)曲線。校準(zhǔn)系數(shù)存在單片機的 EEPROM 里每次開機自動加載。校準(zhǔn)周期建議一年一次如果環(huán)境溫度變化大可以縮短到半年。10. 后續(xù)可以繼續(xù)折騰的方向這臺皮安表已經(jīng)能滿足我大部分需求但還有一些可以改進的地方。比如輸入偏置電流還可以進一步降低用更高級的運放或者自己搭分立輸入級。帶寬也可以提高用更小的反饋電容和更高帶寬的運放。自動量程的切換速度也可以優(yōu)化用 JFET 開關(guān)代替繼電器但漏電流會大一些需要權(quán)衡。另外我還在考慮加一個溫度控制模塊把運放和反饋電阻放在一個恒溫槽里減少溫度漂移。這個對于需要長期穩(wěn)定監(jiān)測的應(yīng)用很有價值。還有一個方向是多通道擴展用多個跨阻放大器同時測量多個器件的電流這對于陣列器件的測試很有用。最后分享一個小技巧如果你也在做微弱電流測量一定要先解決漏電流和屏蔽問題再調(diào)放大器和量程。我一開始把大量時間花在調(diào)運放參數(shù)上后來發(fā)現(xiàn)噪聲主要來自 PCB 漏電和電源耦合把這兩個問題解決之后運放本身的噪聲反而成了次要因素。這個順序搞反了會走很多彎路。