★ FEATURED ARTICLE 1. 为什么我要自己动手做一台皮安表手头有一批传感器和材料样品暗电流和漏电流都在皮安级别用普通万用表根本测不出来——表笔一接上去读数直接跳到微安甚至毫安那全是干扰和偏置电流跟真实信号没半点关系。市面上能测到皮安的仪器不是没有但价格动辄几万起步而且很多是台式机体积大、接口封闭想集成到自己的自动化测试平台里非常别扭。于是我就动了自制的念头用跨阻放大器把微弱电流转成电压再用可编程电压源做偏置最后加上自动量程切换做一台能真正跑起来、能长时间稳定读数的皮安表。这个项目适合谁看如果你在做半导体器件表征、光电探测器暗电流测试、电化学微电流监测或者单纯对飞安到微安量级的电流测量感兴趣那这篇内容应该能帮到你。它不需要你有很深的模拟电路功底但需要你愿意动手、愿意调试因为微弱电流测量这件事电路图只是起点真正的功夫全在布局、屏蔽和接地这些细节上。我先把整体思路说清楚核心是一个跨阻放大器TIA它把输入电流乘以反馈电阻输出一个电压。比如反馈电阻取 1 GΩ输入 1 pA输出就是 1 mV。这个电压再经过后级放大、滤波送进 ADC 采集。量程切换靠的是切换不同阻值的反馈电阻而偏置电压则由一个可编程电压源提供用来给被测器件施加工作点。听起来简单但每一环都有坑下面我按实际搭建的顺序把关键决策和踩过的坑一个个讲清楚。2. 跨阻放大器皮安测量的心脏2.1 为什么选跨阻放大器而不是直接测电流测量微弱电流有几种思路一种是串一个采样电阻测电阻两端的电压降另一种就是用跨阻放大器。前者的问题在于要测 1 pA 的电流如果采样电阻取 1 GΩ那电阻上的压降是 1 mV但电阻本身的热噪声和运放的输入偏置电流会直接淹没信号。更麻烦的是采样电阻会引入一个负载压降改变被测器件的工作点这在半导体测试里是致命的。跨阻放大器的好处是输入端是虚地被测器件几乎感觉不到负载工作点稳定。而且反馈电阻的阻值可以做得很大把微弱电流放大到容易采集的电压范围。运放的输入偏置电流是关键指标必须选飞安级输入的运放比如 LMP7721、ADA4530-1 这类。我一开始图便宜用了 TL072结果输入偏置电流就有几十皮安测出来的全是运放自己的偏置根本没法用。后来换成 ADA4530-1输入偏置电流典型值只有 20 fA这才算真正能测皮安。2.2 反馈电阻的选择与量程设计反馈电阻决定了跨阻增益。理论上反馈电阻越大能测的电流越小。但电阻越大热噪声也越大而且大阻值电阻的电压系数、温度系数都会变差。我实际用的是 1 MΩ、10 MΩ、100 MΩ、1 GΩ、10 GΩ 五档覆盖 1 pA 到 1 μA 的范围。每一档对应的输出满量程我设定在 1 V 左右这样后级 ADC 的利用率最高。这里有个计算如果反馈电阻是 1 GΩ输出满量程 1 V那能测的最大电流就是 1 nA。再大的电流就会让运放输出饱和。所以量程切换的逻辑就是当输出接近满量程时自动切换到更小阻值的反馈电阻当输出很小、信噪比不够时切换到更大阻值的反馈电阻。这个逻辑后面会详细讲。反馈电阻的选型也有讲究。普通厚膜电阻的阻值随电压变化明显在皮安级别下电压系数带来的误差可能比信号还大。我用的是玻璃封装的高阻值电阻或者用多个低阻值电阻串联来降低单个电阻上的电压应力。实测下来串联方案虽然占板面积大但线性度确实更好。2.3 运放输入端的保护与屏蔽皮安级测量最怕的就是漏电流。PCB 表面的漏电流、电缆的漏电流、甚至空气里的湿度都会影响读数。我的做法是运放输入端用保护环Guard Ring包围保护环接到与输入端同电位的低阻抗点通常是运放的同相输入端或者一个缓冲后的参考电压。这样PCB 表面的漏电流会流向保护环而不是流向输入端。保护环的布线要尽量靠近输入端引脚并且要在 PCB 的正反两面都做。我用的是 FR4 板材但表面做了清洁处理涂了三防漆。实测发现如果不涂三防漆湿度从 30% 变到 70% 时读数能漂移 20% 以上。涂了三防漆之后漂移控制在 5% 以内。另外输入电缆用的是低噪声同轴电缆外屏蔽层接到保护环内芯接输入端。电缆的绝缘电阻也很关键普通 PVC 绝缘的电缆漏电流太大我用的是 PTFE 绝缘的。提示焊接完运放和反馈电阻后一定要用异丙醇清洗 PCB再用热风枪吹干。手上的汗渍、助焊剂残留都会形成漏电通路在皮安级别下这些漏电可能比信号还大。3. 自动量程切换让皮安表自己找档位3.1 量程切换的硬件实现自动量程的核心是模拟开关切换反馈电阻。但普通模拟开关的漏电流在皮安级别下完全不能用比如 CD4051 的漏电流就有几十纳安直接就把信号淹没了。我选的是干簧继电器比如 Coto 的 9007 系列漏电流在飞安级别而且导通电阻低、寄生电容小。虽然体积大、功耗高但在皮安测量里继电器是绕不开的选择。继电器的驱动用 ULN2003 或者专门的继电器驱动芯片注意驱动线圈的续流二极管要选低漏电流的否则线圈关断时产生的反电动势会通过寄生电容耦合到输入端。我在继电器线圈两端并联了一个 1N4148但后来发现 1N4148 的反向漏电流在高温下也不小换成了 BAS116 这种低漏电流的开关二极管。3.2 量程判断逻辑与迟滞设计自动量程的判断逻辑很简单ADC 读到的电压如果超过满量程的 90%就切换到更小阻值的反馈电阻如果低于满量程的 10%就切换到更大阻值的反馈电阻。但这里有个坑如果没有迟滞量程会在边界附近反复切换导致读数跳动。我的做法是设置两个阈值切换到大阻值量程的阈值是满量程的 10%切换回小阻值量程的阈值是满量程的 90%。这样中间有 80% 的迟滞带量程不会频繁切换。另外切换量程时需要暂时断开输入否则继电器切换瞬间的电荷注入会让后级放大器饱和。我的做法是在切换前先把后级放大器置零切换完成后再恢复。这个时序用单片机控制延时大概 10 ms足够继电器稳定。3.3 量程切换的实测效果我实测了从 1 pA 到 1 μA 的电流自动量程切换的准确度在 1% 以内。切换时间从最慢的 10 GΩ 档到最快的 1 MΩ 档大概需要 50 ms包括继电器动作和放大器稳定。这个速度对于大多数静态测试足够了但如果要做动态电流波形采集就需要更快的切换方案比如用 JFET 或者 CMOS 开关但漏电流会大一些需要权衡。量程档位反馈电阻可测电流范围切换时间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. 可编程电压源给被测器件一个稳定的偏置4.1 为什么需要可编程电压源很多微弱电流测量场景需要给被测器件施加一个偏置电压比如光电二极管需要反偏电压电化学传感器需要工作电极电压。这个偏置电压的稳定性直接影响电流读数。如果偏置电压漂移 1 mV对于 1 GΩ 的等效电阻电流就会漂移 1 pA。所以偏置电压的噪声和漂移必须远小于这个量级。我用的是 DAC 加运放缓冲的方案。DAC 选的是 16 位的 DAC8552输出经过一个低噪声运放缓冲再经过 RC 滤波。DAC 的参考电压用 LM399 或者 LTZ1000 这类高稳定基准温漂在 0.1 ppm/°C 级别。实测下来偏置电压的短期噪声在 10 μV 以内对于皮安测量足够了。4.2 偏置电压的噪声抑制DAC 的输出噪声主要来自参考电压和 DAC 本身的量化噪声。16 位 DAC 在 5 V 满量程下的量化步长是 76 μV这个量化噪声对于皮安测量来说还是有点大。我的做法是在 DAC 输出后加一个二阶 RC 低通滤波器截止频率设在 1 Hz 左右把高频噪声滤掉。但截止频率太低会影响建立时间所以我在滤波器和被测器件之间加了一个模拟开关只在测量时接通测量前先让滤波器充分建立。另外偏置电压的接地也很关键。DAC 的模拟地和被测器件的接地要单点连接避免地环路引入噪声。我用的是星形接地所有模拟地都汇到运放输入端的参考地数字地单独走最后在电源入口处单点连接。4.3 偏置电压的扫描功能除了固定偏置我还加了电压扫描功能可以按设定的步进和速率输出 0 到 5 V 的扫描电压。这对于测 I-V 曲线非常有用。扫描的步进最小可以做到 76 μV速率从 1 mV/s 到 1 V/s 可调。扫描过程中每个点测量前会等待一个设定的稳定时间确保被测器件的电流达到稳态。这个稳定时间对于不同的器件差别很大比如光电二极管可能几毫秒就够了但电化学传感器可能需要几秒甚至几分钟。5. 布局、屏蔽与接地决定成败的隐形细节5.1 PCB 布局的优先级皮安表的 PCB 布局跟普通模拟电路完全不是一个思路。普通电路讲究信号流向、电源去耦皮安表首先要考虑的是漏电流和寄生电容。我的布局原则是运放输入端尽量短保护环尽量宽反馈电阻尽量靠近运放继电器尽量远离输入端。电源线和数字线要远离输入端如果实在避不开就在中间加一条接地屏蔽线。PCB 的层叠也很重要。我用的是四层板顶层走信号第二层是完整的地平面第三层是电源底层走数字信号。地平面要完整不能有分割否则漏电流会沿着分割缝隙流动。运放输入端的焊盘要尽量小因为焊盘越大表面的漏电流路径越宽。5.2 屏蔽盒与电缆的处理PCB 做好之后我把它装进一个铝合金屏蔽盒里。屏蔽盒接到模拟地形成一个法拉第笼把外界的电磁干扰挡在外面。但屏蔽盒也会引入寄生电容尤其是输入端靠近盒壁时寄生电容可能达到几皮法影响放大器的稳定性。我的做法是在输入端对应的盒壁位置开一个孔让输入电缆直接穿过减少寄生电容。输入电缆用的是三同轴电缆内芯接输入端内屏蔽接保护环外屏蔽接屏蔽盒。三同轴电缆的好处是内屏蔽把内芯和外屏蔽隔开减少了电缆的漏电流和寄生电容。电缆的接头用的是低漏电流的 triax 接头普通 BNC 接头的绝缘电阻不够漏电流在皮安级别下很明显。5.3 接地策略与实测对比接地是皮安表调试中最玄学的部分。我试过三种接地方案第一种是模拟地和数字地完全分开只在电源入口单点连接第二种是模拟地和数字地大面积连接第三种是模拟地浮空只通过一个 1 MΩ 电阻连接到数字地。实测下来第一种方案噪声最低但布线复杂第二种方案噪声最大数字噪声会耦合到模拟部分第三种方案噪声介于两者之间但容易受静电影响。最后我选了第一种方案并且在模拟地和数字地之间加了一个 0 Ω 电阻方便调试时切换。实测噪声从第二种方案的 50 pA RMS 降到了第一种方案的 2 pA RMS效果非常明显。注意接地方案没有绝对的对错跟具体的电路布局、电源质量、外界环境都有关系。我的建议是预留多种接地方案的跳线实际调试时逐个尝试用示波器和频谱分析仪看噪声选最优的方案。6. 调试过程中踩过的坑与解决方案6.1 运放自激振荡最让人头疼的问题跨阻放大器最容易自激尤其是反馈电阻大、输入电容大的时候。我一开始用 10 GΩ 反馈电阻运放输出直接振荡频率大概几十 kHz幅度几百毫伏。原因是运放的输入电容和反馈电阻形成了一个极点加上运放本身的相位裕度不够就振荡了。解决办法是在反馈电阻两端并联一个小电容形成一个零点补偿相位。电容的值需要计算假设运放的输入电容是 5 pF反馈电阻是 10 GΩ那极点频率是 1/(2π×10G×5p) ≈ 3.2 Hz。为了在 3.2 Hz 处提供足够的相位裕度反馈电容需要满足 C_f ≥ sqrt(C_in/(2π×R_f×GBW))。我实际用的是 0.1 pF 的电容用两个 0.2 pF 串联得到实测振荡消失了带宽大概在 100 Hz 左右。6.2 继电器切换时的电荷注入继电器切换反馈电阻时触点上的电荷会注入到运放输入端导致输出跳变。这个跳变幅度可能达到几伏让后级放大器饱和需要很长时间才能恢复。我的解决办法是在继电器切换前先把运放的同相输入端短接到地让运放进入开环状态输出饱和到电源轨。切换完成后再释放同相输入端运放重新闭环建立时间就短很多。另外继电器的触点材料也很关键。普通银触点的接触电势在微伏级别对于皮安测量来说太大了。我用的是金触点的继电器接触电势在纳伏级别基本可以忽略。6.3 电源噪声的耦合路径开关电源的噪声会通过电源线耦合到运放影响读数。我一开始用了一个普通的 DC-DC 模块输出纹波大概 50 mV结果皮安表的噪声在 100 pA RMS 以上。后来换成了线性电源纹波降到 1 mV 以下噪声也降到了 5 pA RMS。但线性电源效率低、发热大所以我在线性电源前面加了一个预稳压的开关电源把电压降到比目标值高 2 V再线性稳压这样效率发热都能接受。电源的去耦也很重要。每个运放的电源引脚旁边都要放一个 100 nF 的陶瓷电容和一个 10 μF 的钽电容陶瓷电容要尽量靠近引脚。另外模拟电源和数字电源要分开走线最后在电源入口处单点连接。6.4 温度漂移与长期稳定性皮安表开机后需要预热一段时间才能稳定因为运放和电阻的温度系数会导致读数漂移。我实测下来开机后前 30 分钟漂移大概 10 pA之后逐渐稳定到 1 pA 以内。为了加速稳定我在屏蔽盒里加了一个小风扇让空气流通减少温度梯度。另外反馈电阻用的是低温度系数的金属箔电阻温漂在 5 ppm/°C 以内比普通厚膜电阻好很多。长期稳定性方面我连续跑了 24 小时读数漂移在 2 pA 以内。这个漂移主要来自环境温度的变化如果放在恒温箱里漂移可以降到 0.5 pA 以内。对于大多数应用这个稳定性已经足够了。7. 实测性能与典型应用场景7.1 噪声、带宽与线性度实测我用 Keithley 2634B 作为参考源对比了自制皮安表和商用源表的读数。在 1 pA 到 1 nA 范围内两者的偏差在 2% 以内。噪声方面在 10 GΩ 档位、10 Hz 带宽下输入等效噪声电流大概是 1.5 pA RMS。带宽方面10 GΩ 档位的 -3 dB 带宽大概是 100 Hz1 MΩ 档位可以到 10 kHz。线性度方面在 1 pA 到 1 nA 范围内非线性误差小于 0.5%。参数实测值备注电流范围1 pA ~ 100 μA五档自动量程输入等效噪声1.5 pA RMS10 GΩ 档10 Hz 带宽带宽100 Hz ~ 10 kHz随量程变化非线性误差 0.5%1 pA ~ 1 nA偏置电压范围0 ~ 5 V16 位 DAC偏置电压噪声 10 μV RMS0.1 Hz ~ 10 Hz长期漂移 2 pA/24h室温环境7.2 光电二极管暗电流测试我用这台皮安表测了一个硅光电二极管的暗电流。在 0 V 偏置下暗电流大概是 5 pA在 5 V 反偏下暗电流增加到 50 pA。这个结果跟器件手册上的典型值吻合。测试过程中我把光电二极管放在一个遮光的金属盒里避免环境光的影响。偏置电压从 0 V 扫描到 5 V步进 100 mV每个点稳定 1 秒整个扫描大概 1 分钟。得到的 I-V 曲线很平滑没有明显的跳变。7.3 电化学传感器的微电流监测我还试了一个电化学传感器工作电极的电流在纳安级别。偏置电压设在 0.6 V电流大概是 2 nA。皮安表连续记录了 1 小时电流的漂移在 5% 以内主要是传感器本身的漂移皮安表的贡献很小。这个应用对皮安表的长期稳定性要求很高因为电化学过程本身很慢需要长时间监测。7.4 其他潜在应用除了上面两个这台皮安表还可以用于半导体器件的漏电流测试、绝缘材料的电阻测量、辐射探测器的暗电流测试、生物传感器的微电流监测等。基本上只要电流在皮安到微安范围这台皮安表都能派上用场。当然不同的应用对噪声、带宽、稳定性的要求不同可能需要调整反馈电阻、滤波参数或者屏蔽方案。8. 关键元器件选型与成本清单8.1 运放与反馈电阻的选型对比运放是皮安表的核心选型主要看输入偏置电流、噪声、带宽和价格。我对比了几款常见的飞安级输入运放型号输入偏置电流电压噪声价格备注ADA4530-120 fA14 nV/√Hz高性能最好价格也最高LMP77213 fA6.5 nV/√Hz中性价比高但带宽较低OPA129100 fA15 nV/√Hz中老型号性能一般INA1163 fA20 nV/√Hz高集成保护环使用方便我最后选了 ADA4530-1因为它的综合性能最好而且有评估板可以参考布局。反馈电阻用的是 Vishay 的金属箔电阻10 GΩ 的型号大概几百块一个但温漂和电压系数都很低。8.2 继电器、DAC 与电源的选型继电器选的是 Coto 9007-05-01金触点漏电流在飞安级别价格大概几十块一个。DAC 用的是 DAC855216 位两通道价格大概几十块。基准电压用的是 LM399温漂 0.5 ppm/°C价格大概一百多。电源用的是线性稳压芯片 LT3045噪声在 1 μV RMS 以下价格大概几十块。8.3 整体成本与制作周期整体成本大概在 2000 到 3000 元包括 PCB 打样、元器件、屏蔽盒、电缆和接头。制作周期大概两周其中 PCB 打样和元器件采购占一周焊接和调试占一周。调试是最耗时的部分尤其是解决自激振荡和噪声问题可能需要反复调整布局和参数。9. 从调试台到机箱把皮安表做成一台真正的仪器9.1 前面板与接口设计调试完成后我把皮安表装进了一个标准 2U 机箱。前面板上有电源开关、量程指示灯、偏置电压调节旋钮和显示屏。显示屏用的是 12864 液晶显示当前量程、电流读数和偏置电压。后面板上有三同轴输入接口、USB 通信接口和电源接口。USB 接口用来跟电脑通信可以远程控制量程和偏置电压也可以把数据传到电脑上做进一步分析。9.2 固件与上位机软件固件跑在 STM32 上主要功能是控制 DAC 输出、读取 ADC、切换量程、驱动显示屏和 USB 通信。ADC 用的是 ADS125624 位采样率最高 30 kSPS。固件里做了数字滤波用滑动平均滤掉工频干扰。上位机软件用 Python 写的通过串口跟皮安表通信可以实时显示电流曲线、设置偏置电压、保存数据。9.3 校准与标定皮安表做好之后需要校准。我用 Keithley 2634B 作为参考在每一个量程档位下输入几个已知电流记录皮安表的读数然后拟合出校准曲线。校准系数存在单片机的 EEPROM 里每次开机自动加载。校准周期建议一年一次如果环境温度变化大可以缩短到半年。10. 后续可以继续折腾的方向这台皮安表已经能满足我大部分需求但还有一些可以改进的地方。比如输入偏置电流还可以进一步降低用更高级的运放或者自己搭分立输入级。带宽也可以提高用更小的反馈电容和更高带宽的运放。自动量程的切换速度也可以优化用 JFET 开关代替继电器但漏电流会大一些需要权衡。另外我还在考虑加一个温度控制模块把运放和反馈电阻放在一个恒温槽里减少温度漂移。这个对于需要长期稳定监测的应用很有价值。还有一个方向是多通道扩展用多个跨阻放大器同时测量多个器件的电流这对于阵列器件的测试很有用。最后分享一个小技巧如果你也在做微弱电流测量一定要先解决漏电流和屏蔽问题再调放大器和量程。我一开始把大量时间花在调运放参数上后来发现噪声主要来自 PCB 漏电和电源耦合把这两个问题解决之后运放本身的噪声反而成了次要因素。这个顺序搞反了会走很多弯路。
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