[发明专利]PXI微电流检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种PXI微电流检测装置。

背景技术

科学研究和生产过程中，诸如泄漏电流、绝缘电阻以及其它参数的测量、光电器件的光电流的测量、光电倍增管与粒子和波束监控、以及用于确定产品特性的半导体、传感器和电缆等都必须进行微电流测试。微弱电流测试的关键在于将微电流转换为电压信号，同时尽量避免或者排除引入的空间辐射以及其他干扰信号，只将纯净的微电流信号转换为电压信号，电压信号经模数转换器转换后，由计算机采集，再换算为电流。微电流测试技术有如下两方面的难点：一是如何将非常微弱的电流信号转换并放大成可由模数转换器采集的电压信号，二是如何尽量避免将空间辐射和其他干扰信号一并转换和放大从而引入较大误差。

现有的微电流测试设备以台式仪器为主，其原理框图如图1所示，微电流测试设备，主要由I-V转换电路、ADC采集电路和主控CPU组成；其中I-V转换电路的主要组成是放大器和反馈电阻切换电路，对应不同大小的微电流，切换不同的反馈电阻，使I-V的输出电压始终落在ADC采集电路的可采集范围内。由于微电流小可到fA（10^-15A）级别，大可到μA级别，所以反馈电阻的电阻范围很大，可从100MΩ到1TΩ（1×10¹²Ω）；主控CPU根据ADC采集电路的采集电压切换合适的反馈电阻接入I-V转换电路，使I-V转换电路的输出电压落在ADC采集电路良好的线性采集区，减小测量误差。

图1中I-V转换电路的原理框图如图2所示。由图2可知，放大器接成典型的反向放大器，没有输入电阻。反馈电阻Rfb是一个关键元件，其阻值选择取决于所要求的灵敏度和噪音；例如若电路的反馈电阻Rfb达到1T，那么1pA的输入电流就会引起1V的输出，即灵敏度是1V/pA；反馈电阻Rfb也与电流噪音密切相关，阻值越大则理论噪音越小，例如选择100G，理论噪音极限是0.25fArms；当然，反馈电阻Rfb不能取得太大，因为运放的偏置电流Ib是完全流过这个电阻的，产生压降，也产生噪音、温度系数等弊病。

为满足微电流测试的不同量程，反馈电阻Rfb一般由几个不同数量级的电阻并联，并加开关构成电阻网络，如图3所示，对应不同的微电流量程，切换开关将相应的反馈电阻接入I-V转换电路。运放的选择，最重要的参数就是偏置电流Ib，在微电流测试中，运放的偏置电流Ib必须尽量小，同时必须进行补偿、调零和抵消。反馈电容Cf的作用有两个：一方面抵消输入电容、提高阶越的响应速度；另一方面与反馈电容Rf一起决定I-V转换电路的自由时间常数。Cf的值越小，I-V转换电路的响应速度越高，但是会增加输出噪音。

现有的微电流测试设备，如图4所示，为方便控制和供电，微电流测试电路和控制电路集成在一块电路板上，这种方案无法对微电流测试电路进行完整的全包围屏蔽，屏蔽盒外侧的电路板依然可以引入外界杂散信号，而且容易引入控制电路上的串扰信号，屏蔽效果一般。电路板的面积较大，不利于仪器的小型化和集成。

此外，I-V转换电路中的反馈电阻Rfb的阻值比较大，不仅难以购买，而且精度不高，性能不稳定，另外大阻值电阻会有电容特性，对微电流测试造成影响；选择I-V转换电路中的运放时，虽然运放的偏置电流Ib要尽量小，然而偏置电流Ib实际上总是存在，而且I-V转换电路中的Rfb阻值很大，尽管Ib很小，在Rfb上还是会产生压降，造成测试结果的不准确；而且偏置电流Ib不稳定，会带来电流噪音，尤其是其温度系数很大，会在很大程度上干扰测试结果，温漂会给数据校准带来很大困难。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种PXI微电流检测装置，其采用如下技术方案：