小电流/高阻抗测量

  电流表是用于测量电流设备，读数为安培（amperes）。存在两种电流表结构：分流（shunt）型电流表和反馈（feedback）型电流表。

1、分流型与反馈型电流表

  分流型电流表是常用的形式，应用在很多场合。反馈型安培表更加适合测量小电流，随着如今测量电流越来越小，反馈型电流表应用逐步增加。然而选择正确形式的电流表不仅取决于被测电流幅值的大小，也与被测设备（DUT）的特征（通常指阻抗）有关系。

2、分流电流表：DMMs

  常见的分流型电流表在几乎所有数字万用表（DMMs）中得到应用。被测量的电流在万用表输入端电阻上形成电压正比于测量电流。

▲ 图1  分流型电流表

  分流型电流表的主要缺点在于电流表的输入阻抗。当输入电流减小的时这个确定越发明显，因为需要更大的输入电阻才能够产生更高的被测电压。分流型电流表一般在以下两种情况工作良好：

• 电流表的输入阻抗比起待测设备的输出阻抗要小得多；
• 被测电流不要太小，不要比微安（ ）小的太多；

3、电压负担

  电流表的端口电压被称为电压负担（Voltage Borden）。随着电流表串入待测电流回路，电压负担则会引起被测电流减小，因此电流表就无法准确反映被测电流。

  一个理想的电流表应该对电流回路中的电流不产生任何影响，所以它需要有零输入阻抗和零电压负担。但是一个实际的电流表则会产生一定大小的电压负担。一般来说，由电流表的电压负担所产生的测量误差等于电压负担除以被测设备输出电阻。典型的电流表所产生的电压负担量级在数百毫伏左右。

4、反馈型电流表

  相比于分流型，反馈型电流表更接近于理想电流表，在测量微安级别以下的电流时应该选择这种电流表，或者在要求输入阻抗有特别苛刻要求的情况下。

  反馈型电流表是通过一个增益很高的运算放大器的反馈回路来将输入电流转换成电压，电压与被测电流成正比；这个电压不再出现在电流表的输入端口，而是通过放大器输出到后级测量电路。电流表的输入电压（也就是前面提到的电压负担）等于输出电压除以运算放大器的电压增益（通常为 100,000），所以电流表输入端的电压负担会减小到微伏级别。由于电压负担小，所以反馈型电流表在测量小电流，或者被测设备输出阻抗小的时候，所产生的误差更小。Keithley 电子电流表和 p-A 电流表都采用反馈型电流表技术。

▲ 图2  反馈型电流表

  下图对测量三极管发射极电流时，电压负担所带来的影响。虽然使用数字万用表可以很好的测量到三极管的发射极电流，但数字万用表的电压负担会显著减小被测队形的电压，使得测量结果偏小。如果使用 p-A 表或者电子电流表，测量误差可以忽略不计。

▲ 图3  测量三极管发射极电流

5、产生电流误差原因

  有若干原因会引起测量电流的精度。所有的电流表都会产生一个小的电流流过输入端，即使输入端在开路状态，这种电流被称为偏置电流，可以通过设备电流抑制来进行调零。外部泄露电流是附加的测量误差，通过良好的保护和屏蔽连接对于减少泄露电流非常重要。被测设备的输出阻抗影响电流表的噪声性能。除此之外，还有一些其它产生电流也会叠加在被测电流上引起误差。下面讨论一些产生电流种类以及如何减少它们对测量的影响。

（1）摩擦电流

  摩擦电是由于导线与绝缘层之间的电荷不平衡引起的，如下图所示。选择合适的导线，比如 Keithely 低噪声电缆可以减少这种摩擦电的影响，它内部的聚乙烯绝缘层外包括有一层石墨，起到与外部屏蔽层之间的润滑作用，在导线外产生圆桶形状的等电位保护层，均衡电荷分布减少电荷产生。

▲ 图4  摩擦起电对电流测量影响

（2）压电电流

  当一些特殊晶体结构物体受到机械压力时会产生压电电流，通常发生在绝缘接口端子和内部连接硬件上。一些塑料中，内部可能存储有电荷，它们可能产生类似于压电效应。下图显示了具有压电效应的端口所产生的压电电流。可以通过以下两种方法来减少压电电流：

• 消除绝缘材料上所受到的机械压力；
• 使用压电效应小，或者存储电荷少的绝缘材料；

▲ 图5  具有压电效应的接口端子

（3）污染和潮湿

  污染物再加上潮湿会引起电化学效应，从而产生误差电流，这是因为具有电离化学物质的污染物会在电路板两个导体之间产生弱的“电池”效应。例如，在常用的环氧树脂印刷电路板上，如果没有把腐蚀溶液、助焊剂、油渍、盐（通常来自于指纹）或者其他污染物进行彻底清理，就会在两个导体之间产生若干 n-A 电流，如下图所示。避免这种由污染物和潮湿所引起的误差，选择不吸水的绝缘材料，或者保持空气湿度在一个合适的水平。对所有的绝缘材料保持它们的清洁，避免被污染物沾染。

▲ 图6  污染物在电路导体之间产生的误差电流

6、测量高阻抗

  在测量高阻抗（通常大于 1GΩ）时，使用一个恒定的电压加载待测电阻上，然后通过串联电流表检测所产生的电流。使用欧姆定律（R=V/I）可以计算出电阻值。这种施加电压去测电流比施加恒流测电压的方法更适合于高阻测量，这是由于一些高阻电阻的特性有可能会受到高压的影响。当然一个受控且可以产生合适电压范围电压源对于测量非常重要。这种方法通常需要使用到能够测量小电流的电子电流表或者 p-A 表。前面关于小电流测量及其误差分析的内容都适合在高阻抗测量中。

  在测量高阻时，泄露电流是常见到的误差来源，它们产生于待测电路与附近的电压源之间的高阻抗通道（泄露电阻）。通过使用合适的保护特性、清洁、高质量绝缘材料以及减少湿度等措施来减少泄漏电阻的影响。

  下图给出了常见到的绝缘材料的电阻值。如果吸收了水分则会使得部分绝缘材料的电阻改变若干的数量级。

▲ 图7  不同绝缘材料的电阻

  下面表格给出了水分吸收以及其他效应的定量描述。

▲ 图8  不同绝缘材料的电阻值

▲ 图9  材料的吸水、压电、摩擦起电特性

7、交替极性方法

  当测量物质具有很高的阻抗时，背景电流可能引起显著的测量误差，它们可能是由绝缘材料中储存电荷、静电或者摩擦起电、压电效应等引起的。

  使用交替极性测量方法可以将样品中背景电流对测量结果的影响消除。这种方法也很简单，就是对被测电阻正向施加电压，在一段延时后测量流过电流；然后再改变电压的极性，延时一段时间后再测量电流。使用电压的变化值除以电流的变化值来计算被测电阻的大小。这种方法可以重复若干次，取测量值的加权平均值来反映被测电阻值。