如何進(jìn)行小電流／高阻抗測(cè)量

使用交替極性測(cè)量方法可以將樣品中背景電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響消除。這種方法也很簡(jiǎn)單，就是對(duì)被測(cè)電阻正向施加電壓，在一段延時(shí)后測(cè)量流過(guò)電流；然后再改變電壓的極性，延時(shí)一段時(shí)間后再測(cè)量電流。使用電壓的變化值除以電流的變化值來(lái)計(jì)算被測(cè)電阻的大小。這種方法可以重復(fù)若干次，取測(cè)量值的加權(quán)平均值來(lái)反映被測(cè)電阻值。

電流表是用于測(cè)量電流設(shè)備，讀數(shù)為安培（amperes）。存在兩種電流表結(jié)構(gòu)：分流（shunt）型電流表和反饋（feedback）型電流表。
1、分流型與反饋型電流表
分流型電流表是常用的形式，應(yīng)用在很多場(chǎng)合。反饋型安培表更加適合測(cè)量小電流，隨著如今測(cè)量電流越來(lái)越小，反饋型電流表應(yīng)用逐步增加。然而選擇正確形式的電流表不僅取決于被測(cè)電流幅值的大小，也與被測(cè)設(shè)備（DUT）的特征（通常指阻抗）有關(guān)系。
2、分流電流表：DMMs
常見(jiàn)的分流型電流表在幾乎所有數(shù)字萬(wàn)用表（DMMs）中得到應(yīng)用。被測(cè)量的電流在萬(wàn)用表輸入端電阻上形成電壓正比于測(cè)量電流。

▲ 圖1  分流型電流表

分流型電流表的主要缺點(diǎn)在于電流表的輸入阻抗。當(dāng)輸入電流減小的時(shí)這個(gè)確定越發(fā)明顯，因?yàn)樾枰蟮妮斎腚娮璨拍軌虍a(chǎn)生更高的被測(cè)電壓。分流型電流表一般在以下兩種情況工作良好：
電流表的輸入阻抗比起待測(cè)設(shè)備的輸出阻抗要小得多；
被測(cè)電流不要太小，不要比微安（ ）小的太多；
3、電壓負(fù)擔(dān)
電流表的端口電壓被稱為電壓負(fù)擔(dān)（Voltage Borden）。隨著電流表串入待測(cè)電流回路，電壓負(fù)擔(dān)則會(huì)引起被測(cè)電流減小，因此電流表就無(wú)法準(zhǔn)確反映被測(cè)電流。
一個(gè)理想的電流表應(yīng)該對(duì)電流回路中的電流不產(chǎn)生任何影響，所以它需要有零輸入阻抗和零電壓負(fù)擔(dān)。但是一個(gè)實(shí)際的電流表則會(huì)產(chǎn)生一定大小的電壓負(fù)擔(dān)。一般來(lái)說(shuō)，由電流表的電壓負(fù)擔(dān)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差等于電壓負(fù)擔(dān)除以被測(cè)設(shè)備輸出電阻。典型的電流表所產(chǎn)生的電壓負(fù)擔(dān)量級(jí)在數(shù)百毫伏左右。
4、反饋型電流表
相比于分流型，反饋型電流表更接近于理想電流表，在測(cè)量微安級(jí)別以下的電流時(shí)應(yīng)該選擇這種電流表，或者在要求輸入阻抗有特別苛刻要求的情況下。
反饋型電流表是通過(guò)一個(gè)增益很高的運(yùn)算放大器的反饋回路來(lái)將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓，電壓與被測(cè)電流成正比；這個(gè)電壓不再出現(xiàn)在電流表的輸入端口，而是通過(guò)放大器輸出到后級(jí)測(cè)量電路。電流表的輸入電壓（也就是前面提到的電壓負(fù)擔(dān)）等于輸出電壓除以運(yùn)算放大器的電壓增益（通常為 100,000），所以電流表輸入端的電壓負(fù)擔(dān)會(huì)減小到微伏級(jí)別。由于電壓負(fù)擔(dān)小，所以反饋型電流表在測(cè)量小電流，或者被測(cè)設(shè)備輸出阻抗小的時(shí)候，所產(chǎn)生的誤差更小。Keithley 電子電流表和 p-A 電流表都采用反饋型電流表技術(shù)。

▲ 圖2  反饋型電流表

下圖對(duì)測(cè)量三極管發(fā)射極電流時(shí)，電壓負(fù)擔(dān)所帶來(lái)的影響。雖然使用數(shù)字萬(wàn)用表可以很好的測(cè)量到三極管的發(fā)射極電流，但數(shù)字萬(wàn)用表的電壓負(fù)擔(dān)會(huì)顯著減小被測(cè)隊(duì)形的電壓，使得測(cè)量結(jié)果偏小。如果使用 p-A 表或者電子電流表，測(cè)量誤差可以忽略不計(jì)。▲ 圖3  測(cè)量三極管發(fā)射極電流
5、產(chǎn)生電流誤差原因
有若干原因會(huì)引起測(cè)量電流的精度。所有的電流表都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的電流流過(guò)輸入端，即使輸入端在開(kāi)路狀態(tài)，這種電流被稱為偏置電流，可以通過(guò)設(shè)備電流抑制來(lái)進(jìn)行調(diào)零。外部泄露電流是附加的測(cè)量誤差，通過(guò)良好的保護(hù)和屏蔽連接對(duì)于減少泄露電流非常重要。被測(cè)設(shè)備的輸出阻抗影響電流表的噪聲性能。除此之外，還有一些其它產(chǎn)生電流也會(huì)疊加在被測(cè)電流上引起誤差。下面討論一些產(chǎn)生電流種類以及如何減少它們對(duì)測(cè)量的影響。
（1）摩擦電流
摩擦電是由于導(dǎo)線與絕緣層之間的電荷不平衡引起的，如下圖所示。選擇合適的導(dǎo)線，比如 Keithely 低噪聲電纜可以減少這種摩擦電的影響，它內(nèi)部的聚乙烯絕緣層外包括有一層石墨，起到與外部屏蔽層之間的潤(rùn)滑作用，在導(dǎo)線外產(chǎn)生圓桶形狀的等電位保護(hù)層，均衡電荷分布減少電荷產(chǎn)生。

▲ 圖4  摩擦起電對(duì)電流測(cè)量影響

（2）壓電電流
當(dāng)一些特殊晶體結(jié)構(gòu)物體受到機(jī)械壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓電電流，通常發(fā)生在絕緣接口端子和內(nèi)部連接硬件上。一些塑料中，內(nèi)部可能存儲(chǔ)有電荷，它們可能產(chǎn)生類似于壓電效應(yīng)。下圖顯示了具有壓電效應(yīng)的端口所產(chǎn)生的壓電電流。可以通過(guò)以下兩種方法來(lái)減少壓電電流：
消除絕緣材料上所受到的機(jī)械壓力；
使用壓電效應(yīng)小，或者存儲(chǔ)電荷少的絕緣材料；

▲ 圖5  具有壓電效應(yīng)的接口端子

（3）污染和潮濕
污染物再加上潮濕會(huì)引起電化學(xué)效應(yīng)，從而產(chǎn)生誤差電流，這是因?yàn)榫哂须婋x化學(xué)物質(zhì)的污染物會(huì)在電路板兩個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生弱的“電池”效應(yīng)。例如，在常用的環(huán)氧樹(shù)脂印刷電路板上，如果沒(méi)有把腐蝕溶液、助焊劑、油漬、鹽（通常來(lái)自于指紋）或者其他污染物進(jìn)行徹底清理，就會(huì)在兩個(gè)導(dǎo)體之間產(chǎn)生若干 n-A 電流，如下圖所示。避免這種由污染物和潮濕所引起的誤差，選擇不吸水的絕緣材料，或者保持空氣濕度在一個(gè)合適的水平。對(duì)所有的絕緣材料保持它們的清潔，避免被污染物沾染。

▲ 圖6  污染物在電路導(dǎo)體之間產(chǎn)生的誤差電流

6、測(cè)量高阻抗
在測(cè)量高阻抗（通常大于 1GΩ）時(shí)，使用一個(gè)恒定的電壓加載待測(cè)電阻上，然后通過(guò)串聯(lián)電流表檢測(cè)所產(chǎn)生的電流。使用歐姆定律（R=V/I）可以計(jì)算出電阻值。這種施加電壓去測(cè)電流比施加恒流測(cè)電壓的方法更適合于高阻測(cè)量，這是由于一些高阻電阻的特性有可能會(huì)受到高壓的影響。當(dāng)然一個(gè)受控且可以產(chǎn)生合適電壓范圍電壓源對(duì)于測(cè)量非常重要。這種方法通常需要使用到能夠測(cè)量小電流的電子電流表或者 p-A 表。前面關(guān)于小電流測(cè)量及其誤差分析的內(nèi)容都適合在高阻抗測(cè)量中。
在測(cè)量高阻時(shí)，泄露電流是常見(jiàn)到的誤差，它們產(chǎn)生于待測(cè)電路與附近的電壓源之間的高阻抗通道（泄露電阻）。通過(guò)使用合適的保護(hù)特性、清潔、高質(zhì)量絕緣材料以及減少濕度等措施來(lái)減少泄漏電阻的影響。
下圖給出了常見(jiàn)到的絕緣材料的電阻值。如果吸收了水分則會(huì)使得部分絕緣材料的電阻改變?nèi)舾傻臄?shù)量級(jí)。

▲ 圖7  不同絕緣材料的電阻

下面表格給出了水分吸收以及其他效應(yīng)的定量描述。

▲ 圖8  不同絕緣材料的電阻值

▲ 圖9  材料的吸水、壓電、摩擦起電特性

7、交替極性方法
當(dāng)測(cè)量物質(zhì)具有很高的阻抗時(shí)，背景電流可能引起顯著的測(cè)量誤差，它們可能是由絕緣材料中儲(chǔ)存電荷、靜電或者摩擦起電、壓電效應(yīng)等引起的。
使用交替極性測(cè)量方法可以將樣品中背景電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響消除。這種方法也很簡(jiǎn)單，就是對(duì)被測(cè)電阻正向施加電壓，在一段延時(shí)后測(cè)量流過(guò)電流；然后再改變電壓的極性，延時(shí)一段時(shí)間后再測(cè)量電流。使用電壓的變化值除以電流的變化值來(lái)計(jì)算被測(cè)電阻的大小。這種方法可以重復(fù)若干次，取測(cè)量值的加權(quán)平均值來(lái)反映被測(cè)電阻值。