微电流测量技术.pdf

微电流测量技术 秦菇纯 在很多有关物理学的部日中 如电离真室测量 光光桅流舒的最高灵敏度随上在 一 安左右 有时专 电流 射技 核物理等 都必须测堡非常微弱的电流 了给加检流舒的稳定度 接性以及翰出 功率 使有可能 微电流的范困大概从 微安起始 一道到 一 安 我得到直接祀录 樵流舒与放大器合用 而且加 卜深度负 们知道 安培电流相当于寺季秒通过 个电子 因反阶 其方沮刁廷先将检流舒翰出光 点照射在两个井列 此微电流的最小侧童范困 希望到达每秒钟通过几个 的光电管上 使它们的翰出相等 当光点移动时 两 个 电子 一般 微安满刻度的电流表 可以用来测量 光电管的翰出开始不平衡 袒过放大后用电表显示出 微安的电流 更小的电流 就要用反射光榆流汁来侧来 同时将部分翰出反赣到翰入端 这样虽可达到前 量 由于室气 中的分子撞击樵流计袋圈 即所稠布朝述优点 而且整个仪器比较稳定 使用亦较方便 但是 她 运动 以及在电路中电份刀听产生的热噪声 布朗运动及热噪声的限制 仍然存在 整个仪器的灵敏 才封主使榆流升的幼子耀常移动 在一般室温下 这些度 仍然在 一 安数量极 本文所述的测量方法 将 噪声可以达到和当于 一拐安 的翰入电流 因而使反射 偏重于较 安更小的电流 日 二 川 一 日 曰 二 口 川 口 口 曰门 枕进行进控 信号发生器 勺 输出电压 了 卜 千赫至 兆赫为 伏 有效彼 士 分 具 赫至 千 赫为 伏 有效植 分只一 分只 由图 我们看一 一下频 率的粽 合过 程 如果选 的频 李是 兆赫 在 于 行 按 纽徽入时 洪有一 兆赫信号加至 这一行的加法放大 器 口 莎李兆赫及 兆赫与 兆赫合 成得 兆赫 井 除以 最后得 加凌 凌凌凌凌 放放大品品品 多多 口口口 兆赫 一卜 一 图 吐接粽合法信号发生器作用图 频率单位均为兆赫 兆赫井供翰出 在 一 斤了按几擞入选出的频率为 兆赫 在加 法放大器中与 兆赫及 兆赫合成为 拓 兆赫 除以 井加至下叙的加法放大器 依次顺序进行 得 出方枢图下面所标的数字 至 小行时为 兆赫倍号 信号与 兆赫合成后 井与 行按钮 选出的 兆赫在加法放大器中合成为 兆赫 在 行按窦 仕选出的 兆赫 在差频放大器 中与前极输入信号相减得出最后信号为 可以着到 频率粽合器 由于它的准确度和稳定度 很高 在通信投备的日益发展 波段 日益拥挤的情 矿 是很有帮助的 作为测拭没备 或作为油信没备来擦 制通信波段都能合用 虽日前的频率 限还 只在甚高 频范圃 由于开关元件的日盗发展 电子技术的飞跃进 步 粽合器的频率上限发展至几百以至几千 兆赫是有 可能的 但这种投备在体积 重量 价格和推护要求上 还较一般信号发生器高 这是它的缺点 一 一 匀 摄入装盆 静电针管或收信管 在徽电流的侧量中 艳大部分工作 特别是测量高 阻抗信号源的微电流 都利用静电舒管或收信普作为 翰入装置 然后再接上直流放大器及指示系扰 因此 先介招这两种元件 静电舒管是一种栅流很小 输入端漏 电电阻很大 适合于值流放大的电子管 在制迭时 释过特殊措施 可将枷流减小到 一 拓安 个别实殷室斌制的 枷流更小 对于静电舒管还要求灯粽 电压校低 功率较 小 可用电池供电 以做成携带式的微电流舒 静电舒 管的各极电压较低 各极朋电容很小 为了用在 平衡电 桥式的电路内 砂电针管有时还做成举生管的形式 有 的舔电舒管用傍热式灯粉 可使阴极电位更接近平衡 这在低电压电子管中是比较重要的 常用的静电舒管 有 等 收信管有时亦可用作移电舒管 一般收信管的栅 流较静电舒管大些 但收信管也有优点 如增益较大 价格较廉等 对收信管的某些要求是与静电舒管相同 的 如第一 低而较稳定的栅流 第二 电子管特性能长 期稳定 第三 极高的表面漏电电阻 第四 各电子管简 有互淤性等 此外使用时应特别注意各极的电压必须 大大降低 有时将灯林电压降低到额定值的一牢 这 样可减少正离子的发射以及由灯林光源引起的光电 流 灯粉电压应孩由道流供拾 而且它的电位最好比 阴极稍高一些 以消除灯林 发射的电子到达栅极上 栅极的负偏压应孩大些 以防止阴极发射的电子由于 发射速度而抵达栅极 板极与帘栅极的电压 亦应象 静电静管一样尽量减低 使到达板极的电子能量不足 以使剩余气体电离 有的收信管还要求接成舔电针管 的形式 就是将第二栅极作为室阴电荷极 它的作用在 于防止阴极发射的正离子到达栅极上 而将第三栅极 作为控制栅极 如果这些收信管有胶木底座 应孩除 去 然后在乙醚中清洗 有时还要涂上防潮保护剂 如 有机硅汕等 常用的收信管用作静电舒管的有 等 耀趁处理后的栅流钓 一妞 一 安 几乎接近于静电舒管的指标 徽电流测量方法 用静电舒着明 量微电流 主要有压降法 电容器充 电法 动电容法等三种 一 压降法 如图 所示 将被测 电流 恿过一 个高植电阻 然后用静电舒管积 量高值电阻上所产 生的电压降 就可知道还过的电流量 它们的关系是 二刁 如果侧到的电压为 毫伏 高值电阻为 欧 则被测电流 二 一拓 安 图 压降法伪 电容器充电法 其中 刀为高位电阻 为杂散电容 为外接电客 为漏电电阻 为被测电流 为挣电汁芒 二 电容器充电法 如图 的所示 在舔电 管 的栅极电路内接入一个电容器口 利用 矫电针管放大 器观 舔电汁管栅流使 电容器充电的速度 然后将被 测电流引入栅极电路中 使被测电流与移电针管栅流 同时使电容器充电 充电速度就有所改变 观测这些 充 长速度的变化情况 就可推算被测电流的大小 假 定静电舒管的栅流 一 一拐安 电容器口的电容量 为 微微法 包括翰入端杂散电容 在无被测电流 时 栅压的充电速度为 二 一 叮 一 一 伏 秒 如果静电舒管放大器的电压灵敏度为 小毫米 伏 指针移动速度为 伏 秒 扔 毫米 伏一 毫米 秒 加入被测电流后 栅压的充电速度将改为 几 口伏 秒 而指针移动速度为 理 一 一 一 吐 火 毫米 秒一 一 毫 米 秒 因为在 秒左右的时阴内 可观察到指针移 动速度从 改变到 毫米 秒 所以被侧电流小 到 一拓 安时 还可观察到 值得指出的是 静电计管的 栩流为 一 安 假定它的平均变化小于 安 却 可测量 一 安的电流 还有一种电容器充电法 可以 隧道二极管来作 为电压指示 利用隧道二极管的负阻效应 很容易将 它做成双稳态电路 用已充电的电容器 并联到隧道 二极瓷匕观测隧道二极管的工作点是否翻椰 就可以 知道电容器的充电电压是否已达到隧道二极粉的翻娜 触发电压 一般锗二极管的翻搏电压是 肠毫伏 假定 被测电流几将电容器充电 充 电时阴 为 秒 电容 器 的电容量为 微微祛 电容器充得的电压为 约一 无刀 如果充电电压超过 毫伏 则将使隧道 二极管翻棘 所以被测电流 二一 约 二 一 一 臼 一 安的数绍 极 这种测量方法 非常简单 可测量到 安的电流 而 且可以很快从 效载中恢复效来 在决定被 卿包流量是否超过某一定 值电流时 是非常合用的 三 动电容法 动电容法的灵敏度最高 可测量 最微小的电流 共原理见图 被浏电流几通过高值 电阻 产生几 电压降 如果没有反娘 动电容 上 一 一 严 的电压亦是 刀 如果动电容的 电容量有周期性的改 变时 口 两端就产生交流电压 还过隔离电容器 而 送入交流放大器 再趣同相枪波器恢复原有的信号 交 流放大器的频竟可以很狄 仅仅通趁动电容的稠制频 率就行 这样可避免 赫或较低的冈煤噪声 这种装 遭此道流放大器筒单得多 还可避觅直流放大的漂侈 周题 但由于翰入电路动电容 的接触电位会改变 仍将产生漂移现象 如能对这些周题特别注意 可将一 天的要疑多 减小到相当于 微伏的翰入信号 图 动电容法原理图 图 中翰出 电阻刃上的 电压与 两端的相位相 反 加 卜负反始后 如果反阶系数 日为 则 声 及尸开 的电压相差只有几刀压降的 故可 认 为 声 尸刀 而 尸可用电流表测得 由此便求得被测电 流 二 用这方法现在可测到 一 安的电流 有时为了避免高值电阻的不稳定 在反阶电路内 不用电阻而用 电容 图 改用电容 这时 一 票 一 曰 一 一 目目 切 一 君 式中 是反娘电容量 丝 是输出电压的改变速度 用 此装置有可能比电阻反阶法观测更微廿详内电流 灵敏度及精确度的限制因素 压降法及电容器充电法灵放度及精确度的限制因 素主要有三方面 第一 噪声及汉叼最时简 第二 栅流 及漏电电阻 第三 立流放大器的漂移 一 嗓声及测 时简 无瑜压降法或电容器充 电法 在翰入电路中 都不能避免杂散电容或者漏电电 阻的存在 因此愉入端都形成丑 并联翰入电路 如 果在整个电路内频霓由 决定 则可以用下歹 公式 求得热噪声电压的均方权植尽 为 优一 矶 式中 为波尔兹曼常数 为耗织寸 温度 压降法中 信号电压为刀 一 一的雯 匕压 白峰一峰值是均方权值 的 倍 竹可能被测 的欣小电压为 可能被侧的最刁 电流为 碳没至少要 倍于时朋常数 才能充电到 以上 因而测量时朋至少要 一 二 秒 从式 可知 可能被测的电流量与犷万及R成 反比 刀C 数值愈大 微流舒的灵敏度愈高 又在一定 精确度下 测量时阴与 RC 成正比 RC 的数值愈大 测量的时阴愈长 这样对于亡流放大器的稳定度就要 提高 但如用负反隋的括 测量时阴可相应减少 二 栩流 与漏电电阴 微流针的灵敏度及精确 度直接受静电针管的栅流及输入端漏电电阻的影响 因栅流及漏电电阻都是不稳定的 因此可能被测的最 小电流 一般不能小于栅流 翰入端所用的高值电阻 不能大于漏电电阻 如 前所述 静电舒管的枷流可做到 10 一 1 8 10 一1 5 安 而漏I包电阻可能做到1016 1017欧 栅流的形成 巳有很多文章敲到 这里不再重复 下面只介招测量栅流的电路图 以便应用 图 3 a 咐 来侧量较大的栅极电流 在枷极电路中 用开 关习 短 路或不短路高值电阻R 移动栅极电位器使两种情况 的板流不变 并昆录栅极电压变化的大小 dV l l l j z 那厂R 这种方法可测量10 安以上的栅极电流 图 3 的的测量方程 习 适 用电位差针改变栅极电压从 V 到 V 那g 井观测两种情况下的板极电流 然后将开关 S 打开 由于栅流将杂散电容充电 板流将逐渐恢复 到另一数值 井昆录其恢复时阴 名 则I 一 cJ几 右 用 这种方法测量栩流 可测到 1 0 一1 1 0 一 安 下面再介招一种测量漏电电阻的方法 先将高值 电阻R接入静电舒管栅极电路中 测量栅极电压 为 马 然后将高值电阻取去 换人标准电池 接成负栅 测量栅极电压为E BI 最后将标准电池及高值电阻 串 I关接入栅极电路中侧量为凡 则漏电电阻为 卜华 一 异 假定T 300OK 自 p 27OC f 月 j J可算得I一2 x10一 安 厚 3 二 9 徽徽法 R 二 1 0 欧 陌陌番 一 气气气 蔽瑟 一 厨厨厨 氏氏 卜卜卜 一 i i i i i i i l l l l l 图3姗极电流测量方法 如果要精确到5 n l J 必须拾以足够的充电时阴 用已知的高植电阻 了功 测虽栅压漂移速度 一 6 一 6a4 二 E x 刀 E E oi 一E a 4 很定E 一1 毫伏 E 1 二1 01 8 伏 E 二1 016 伏 丑一1 0 欧 可求得R 1 016x1012欧 三 直流放大器的漂移 道流放大器的漂移 限 制了可以侧到的最低电压 因而 砂叫垠制 了微流舒的灵 敏度 现在 一刊投道流放大器的漂移可以做到 1毫伏以 下 如果加上某些特殊措施 也有可能在1小时内漂移 10 0 微伏左右 电子管直流放大器漂移的原因 主要 在于栅极阴极阴的接触电位 因为阴极必须用低逸出 功的材料 而栅极必须用高逸出功的材料 接触电位往 往高达1伏 由于接触电位随着阴极的温度以及发射 电子的情况而改变 因而引起漂移 其次外界的干扰 也能影响 电子管的工作情况 如温度的改变 灯林及正 负直流电压的不稳定 机械霞动以及翰入端突然加上 较大的信号等 动电容祛灵徽度的限制在于稠制系貌可以测到的 最小电压以及翰入端可以应用的最高电阻 稠制系杭 的稳定依振电容器伪两极片的接触电位 般用耗金 毅在极片的表面上 可以使接触电位长期稳定在几个 毫伏左右 握特殊处理后 可使共变化在短期内不超社 1 0微伏 这种测量方法 怒社预先的老化阶段后 不需 更多的照顾 可以在长时期内得到比较满意的精果 因 此比龄屯刽 管侧量祛使用方便而灵敏度更高 提高灵敏度的若千措施 在使用静电静管或用收信管代替静电针管时 应 兹特别注意下面各项措施 以减少栅流与外界干扰J获 及槽高漏电 电阻等 提高微流舒的灵敏度 一 静电舒管应孩有很拍 阵 内静电及磁塌屏蔽 而 且必镇在黑晤的悄况下工作 印使有电磁屏蔽 仍然 应鼓邀免接近高频或较大功率的交流装置 二 在翰入电路中 尽 量避免将不同金属焊接在 一起 以减少接触电位 三 最好用避震座 避免电子管的括筒效应 四 除了高值电阻外 应尽量用精密梭镜电阻 五 要得到较高的指标 仪器必须预热 3 0分钟 似上 然后开始使用 六 输入电子管及高植电阻最好放在真室中 否 R l 至少周圃应孩有干燥剂 以避觅潮气 七 翰入端各种支柱 接艘柱等必须用高艳释材 料 如聚四氟乙烯等 八 翰入电路必须合理安排以减少杂散电容 信 号弓l入枝亦应孩加以注意 九 焊接时不能用带有酸性的炸汕 为了减少直流放大器的漂移 还应孩注意 1 灯林及正负电压用高稳定白铂直流电源供拾 2 前置放大器 尤共第一极 须用辨差输入电路 3 电子管 联 拐乐是第一极放大所用的电子管 必 须耙过老化与挑选 如不用砂生管做第一极 还必照 将各个电子管配对 口 4 仪器的温度应孩尽可能保持恒定 第一极电 子管上不能确敏快的气流通过 6 开仪器时 应先上灯林 然后再上高压 关仪器 时应先关高压 后关灯棘 X丫X 粽上所述 都是测量校慢变化的微电流 随着各 利 新技术的发展 对于徽电流的测量技术 就有更多的 要求 除了提高精度及稳定度以外 还要求整个测笙 系杭有一定的频竟 也欲是貌除了可以测址耳交慢变化 的微电流以外 还要侧量快变化的徽电流 例如在人 造卫星中应用的微流舒 就要求仪岩 张内频率响应至少 平到 3 0赫 频率响应的提高 主要依命负反般的方法 来完成 在合理安排负反始的情况下 仁 矛叮栅极电压 的改变 可以使静电舒管共他各极的电压有同样大小 的改变 因而大大减少翰入端的电容 负反殴还可使 翰入 翰出接性范固扩大 增益稳定等 由于小型静电舒借泊勺生产以及品体管电路的 应 用 使微流静的体积大为减小 可以安装在钓 1 0立方 时的小箱内 消耗功率可以减小到几十毫瓦 这些发展 将使微流舒的应用更为方便 使用范刚更为广泛 参 考文献 1 Yarw仪对J 舀nd C ro i日日e t t o D H L o D 0 A m Plif i e加 凡的切为nle l弘19 V o l 2 6 P 14 p 6 4 p 116 1954 M opp le 冰二k R H 傲oisturo in Elo ctromet ers 及o ct r oni c Eng V o l 2 3 p 275 1 5 1 3 Cal