微弱电流检测技术分析

史凯峰，董 波，徐兆北

（三江学院，南京 210012）

微弱电流检测技术分析

史凯峰，董 波，徐兆北

（三江学院，南京 210012）

微弱电流有个广为人知的定义，即小于10-6安培的电流。由于其极易为噪声淹没的特性，如何抵御噪声，如何把有用信号从噪声中提取就成为了微弱电流检测技术中克敌制胜的关键。总体说来有两种检测方法，一是I-V变换法，另一是I-F变换法。

微弱电流；检测；噪声；I-V变换法；I-F变换法

0 前言

微弱电流即为小于10-6安培的电流[1]，在影响国计民生的半导体、微纳加工以及绝缘材料的生产和应用方面有着不可替代的作用。由于其易被噪声掩盖的特性，如何抵御噪声的干扰并成功提取，就成为了重中之重。因此，微弱电流检测本质上是一种抑制噪声的技术[2]。上世纪50 年代，霍夫斯塔德（Hafstad）通过FP-54静电计管，用几分钟时间测出了3×10-19A 的电流[3]。Chaplin 在1957 年完成了第一台晶体管的载波调制直流放大器，它具有10-9A 的微弱电流检测能力[3]。在普通放大电路中，McCaslin也做到了把低泄露绝缘栅场效应管灵活运用，最终实测电流达到10-15A[3]。随着集成电路技术的发展，现在微弱电流检测的仪器已经商业化。

1 微弱电流检测技术的方法

在目前条件下，一般用两种方法检测微弱电流。其一为先令微弱电流通过高值电阻，从而转化成电压，接着测量相对较大电压的电流，即I-V变换；其二是通过把微弱电流转化成频率的方法得到电流信息，即I-F变换。

1.1 I-V变换法

由于转换方式的不同，本方法可以分为：其一高输入阻抗法，该方法是将输入电流转换成高值电阻两端的电压；另一种是积分法，该方法是将输入电流对放大器连接的电容充电，在放大器的输出端产生电压。高输入阻抗法也被称为直放式。

此时运算放大器转换后，输出电压与输入电流的关系则为：

V0=-Ii×Rf

噪声和漂移问题影响着微弱电流检测的分辨率和灵敏度，为此降噪降漂是测量技术的核心。众所周知再波放大线性组件技术虽然不能有效的降低噪声，但是解决漂移问题还是不错的。为了两者都能被降低，所以一般大家都会用积分环节的微弱电流测量电路的原理来降噪[4]。

电流负反馈法通常被用来测量微弱电流，以及进行I-V变换。然而这个放大器是处于第一级，它本身所带来的噪声会对测量结果造成非常不利的影响，因此设法使该级噪声降低是就成了主要问题。通过对近期普遍的I-V变换电路的噪声模型[5]。很多因素都可能会导致放大器噪声，但是综合来说，运算放大器的有源和电路的热噪声是两个最主要的因素。总噪声输出表示为：

Y为串联、并联噪声的相关系数。

由于

由上可得，伴随时间的推进和叠加，噪声影响也会愈发变小。所以，用这种类型的转换电路测量微弱电流的话，可以在很大程度上减小噪声对微弱电流的影响，这是这一方法的优势，而电路响应时间相对来说比较长则是积分法的劣势。

1.2 I-F变换法

基于I-F 变换的微弱电流检测，可以分为反馈电流放大型I-F变换和反馈电流积分型I-F变换两种方法。

反馈电流放大型I-F变换是把转换电压当做中间量，在电流通过反馈放大镜之后使之转换为和电流相符合的信号频率。这个方法在操作的过程中引入了很大的负反馈电阻，这样一来造成了其稳定性比较差的情况，也就成了这一方法很难克服的缺点。

反馈电流积分型I-F变换的原理是在反馈回路中接高稳定性的积分电容，先把电流信号转换成锯齿波的电压信号，再转换成频率信号[7]。和上面说到的方法对比，此方法在抗干扰和稳定性方面明显更胜一筹，但是延迟时间过大的问题导致其不能适应高速信号的处理工作，也是有利有弊，选用时需要多加注意。

2 微弱电流检测技术中对噪声的处理

如前文所述，微弱电流是极其容易被噪声淹没的，故而微弱电流检测这项技术的关键点就在于如何降低噪声的干扰，并且把信号和噪声剥离，提取出信号。在具体实现降噪排除干扰这项工作时，有以下需要注意的地方：

（1）测量元器件应保有足够高的绝缘电阻。在涉及信号输入端和反馈元件之间的引线时，应尽量采用低漏电屏蔽导线或者用聚四氟乙烯支座。在输入端和信号电压或电源引线之间的绝缘电阻的减小原因中，电路元器件封装上的助焊剂和电路板表面的不洁物都是可能引发的原因。因此，保持干燥和清洁的焊接调试环境是十分必要和重要的；

（2）前置放大电路的布线要尽量合理。在走线时，前置放大电路的输入导线和输出导线一定要分开，并行走线绝不可取。在保证屏蔽线布置得短且粗的情况下，垂直布线是比较好的选择；

（3）在设计电路时就应该考虑到如何通过滤波电路去抑制电源等物造成的杂波干扰，尽量使用线性电源，加入滤波电路也十分必要。此外，减小电源纹波来提高信号噪声比也是可行的；

（4）要注意屏蔽密封，并将屏蔽环与管壳、屏蔽盒连接、信号地、电路板都需要布屏蔽保护措施。

3 微弱电流检测技术的展望

微弱电流检测技术在半导体生产、绝缘材料、微纳加工等各个领域，有着重要的地位，具有广泛的应用空间。在此领域的发展，会推动与之相关的半导体技术、集成电路技术等一大批技术的进步。

4 结论

理论创新推动微弱电流检测技术的进步，与此同时半导体、集成电路和信息处理理论方面取得的进展，伴随着电子元器件方面的改进，更加强大的微弱电流检测技术也一定会被广泛应用。

[1]陈文芗，陈新.采用积分型电路的微电流测量[J].分析仪器，1998（03）：22-24.

[2]王卫勋.微弱电流检测方法的研究[D].西安：西安理工大学，2007：1.

[3][美]E.J.肯尼迪.晶体管静电计基础[M].北京：原子能出版社，1981：1-15.

[4]周怡.一种微电流放大器的设计与探讨[J].广西物理，1999（02）：46-47.

[5]陈文萝，陈新.采用积分型电路的微电流测量[J].分析仪器，1998（03）：22-24.

[6]曾庆勇.微弱信号检测[M].上海：浙江大学出版社，1986：119-121 [7]周波，苏弘.弱电流测试仪的研制[J].核电子学与探测技术，2003（01）：94-96.