微电流在探索、测试、研究领域，用场广泛，是打开电子测试微不雅观领域的一把钥匙。人类探索微不雅观电流天下的过程从pA级到fA，再到aA，现已经进入单个电子时期。
人们每每认为，DIY一个1pA测试器是须要经历巨大寻衅的。本文试图解释，通过适当的方法和传统而大略的成熟技能，不仅可以很好的办理了测试1pA的问题，同时可以把测试下限做到1fA以下，进入aA领域。
01、电路图及解释
用电池供电，微功耗设计；电池选9V，用低压差低功耗的HT7150三端稳压成5V，自耗电<4uA；
然后用双运放的一半，把5V分成±2.5V双电源，这部分耗电<22uA；R3和R4把-2.5V分压成100mV作为标准电压，由R5=100G供应测试用的1pA标准电流。这部分耗电5uA；
末了，双运放的另一半接成经典负反馈I-V转换电路，这部分耗电16uA；运放采取LMC6062AIN，很便宜的东西，范例Ib=10fA，范例Vos=100uV，耗电32uA；
运放也可以用LMC6042AIN，很便宜的东西，范例Ib=2fA，范例Vos=1000uV，耗电20uA；R6供应保护，不至于因有时输入过压而导致运放破坏；
R7是反馈电阻，C4是反馈电容，用于抵消输入电容的影响，提高相应韶光，同时也与R7一起供应一定的韶光常数。
合计耗电<47uA，一节9V充电电池（350mAh）可以利用7000多个小时。如果换用LMC6042AIN，总耗电<35uA，电池可以利用10000小时。
02、仿真
电路很大略，预期会很顺利，但实际上很困难。大概是Multisim对付超高阻部分做的不好。
可以看到，仿真软件把主运放的Vos取了0.35mV，其余也肯定加入了Ib的影响，末了的输出有一点偏差，很正常。
03、准备材料、元件
除了个别元件比较难找外，别的都是很常见的。分外的元件，紧张是100G的电阻。
04、元件布局
先裁减好万能板，紧张元件排布一下。上边是电源，右下是输入，左下是输出。
05、制作输入隔离岛
此处为关键部位，隔离岛须要高度绝缘。采取优质BNC插座，确认绝缘部分是特富龙材料，这是常见的最好的绝缘材料，电阻率可以超过10的15次方欧姆-厘米。
不仅如此，BNC插座的外皮，要逼迫在地电位，这样与中央导体的电位差就很小（<1mV），这样才能担保泄电不超过0.1fA。
06、输入岛岛芯的制作
这部分要实现良好的机器支撑和电气绝缘，同时要只管即便减少体积以免不必要的输入电容和传染，这样就直接在中央导体上焊接成四叉，分别接输入、反馈电阻Rf、反馈电容Cf、运放输入/保护电阻。
07、元件安装和焊接
这部分没有啥特殊的，常规做法。不过也比较麻烦，断断续续焊了两个小时，刚刚完成。标准电压源，不仅有0.1V，而且增加了10mV：
08、反馈电容制作
实在还没有焊接完成，创造运放的输出还没有接，反馈电容还没有位置，补做一个。
这个电容哀求超低泄电、很小的容量，难于找到成品，只有自己做。用外径0.55、内径0.34的特富龙单芯双绞线8cm，加密双绞。测试一下，4.7pF，可以了。
09、安装基本完成
又创造一个缺点，电压源的地接错了，接到了-2.5V上去。改正后，装上大部分元件后：
10、初步测试
用Mengxin DIY手持6位半测试，不给予任何电流旗子暗记，即输入电流为零，只接上反馈电阻和反馈电容，零点貌似正常，不装盒时有滋扰，装盒后大约为1.7mW，也便是17fA
加上1pA内部电流后，输出大约是91.5mV，也便是915fA，正常。
11、初步采集
仍旧用Mengxin 6.5，测试时保存在内部MicroSD卡中，采集了零点和1pA旗子暗记，结果非常平稳，噪音非常小。至此，1pA超微电流测试仪DIY成功！
12、运放的解释
看照片，这些都是Ib超级眇小的CMOS运放，由于输入级都是MOS管，因此Ib都非常小。只管LMC6001很著名，但其用料和制作并没有什么特殊的，只是出厂提高行了100%的测试，担保Ib<25fA而已。这些运放只管Ib的指标值相差很大，但实际上相差不大，绝大多数都会低于范例值，或者Ib<10fA，因此可以基本随便选用，利用前测试一下，个别的淘汰即可。
我主推LMC6042A和LMC6062A的缘故原由，便是低耗电。Ib小，电流噪音就自然小。这些运放的电流噪音的指标都低于0.2fA/√Hz。Ib小，受温度系数的影响就小。因此，超微电流测试，Ib是紧张选择目标。
价格上，LMC6001A贵一些，其它都很便宜，尤其是图中的下面两款，很随意马虎买到。
其它的常用运放，还有一些金封的，例如ICH8500A、AD549LH、OPA128LM：
不过，根据国半，金封的Ib反而不如塑封的好，再由于价格贵，不推举。
13、超高阻的解释
照片为我自己的测试过的所有100G的电阻。
A. 国产的100G真空电阻，有一定的电压系数，但低压下表现尚可，温漂也凑合。如果手头恰好有这种电阻，可以用在此处的超微电流测试仪里。
B. 新近国产100G，赤色漆皮，但表现很好。温度系数大约0.14%/C，电压系数很小，低压下表现也非常好。
C. 日本FINECHEM的 RH2HVS，偏差只有1%（F），高压下（10V～1000V）表现也非常好，但便是低压下表现很差，介质接管严重，一旦加压（例如开机时的5V）则难于规复，会在很长一段韶光内表现出开路有输出电压，电荷开释韶光比较长。
D. 国产的片状电阻，名义上是RI80，大概是小厂的产品，非常垃圾的东西，电压系数超大，10V和100V下电阻能相差2倍以上，<1V下险些要开路（电阻>10T），其表现类似一个稳压管，因此绝对不可以用在此处。其余，该电阻的极化存储征象也很严重。
根据Johnson Noise理论，可以测试的最小电流受下列电流噪音公式约束：
I^2 = 4 k T B / R
个中k是玻尔兹曼常数，为1.38E-23，T是绝对温度，B是带宽，R是旗子暗记源内阻。
把常见的T=300度、B=1Hz、R=10MΩ带入，结果得到40.7fA。显然这个噪音对付微弱电流还是太大，要想改进，在常规场合（比如不能搞低温恒温）、测试速率确定的场合下，唯一我们能做的便是提高旗子暗记源内阻。如果R选择1GΩ，那么电流噪音就变成4.1fA了，减到了1/10。如果连续把R增大到100G，那么噪音极限就达到0.4fA了（2fApp，如图红圈所示）。
吉时利每每被公认为是国际微电流测试最高水平，其目前仍旧是保持记录的静电计K642，里面的反馈电阻最大用到了12次方（1T），这与其0.08fArms的电流噪音指标是吻合的。理论上，如果进一步要其测试下限达到1E-17（10aArms，50aApp）也是可能的，只要提高旗子暗记源内阻到100T，同时要加大一些测试韶光，如下图绿圈所示。因此可以看到，单从噪音从这一点看我们就须要超高阻。
（本图来自吉时利低电平测试手册，并做了延伸）
内阻越高则电流噪音越低，这个观点与微电压的测试恰好相反，因此有一些人转不过弯来，不想用高阻.
的确，内阻高则噪音大，但噪音是与内阻的半次方成正比的，量程、增益是与内阻的1次方成正比的，算下来还是须要选择高阻。无论是旗子暗记源的内阻，还是运放的反馈电阻，均受此规律制约。
14、数据采集的解释
数据采集，便是把微电流测试器的电压输出旗子暗记，转变成数字数据保存起来。大略一点的采集，要用到ADC，可以DIY，也有各种现成的采集卡、USB采集器可以买到。
但更方便的，是利用带有打算机接口的商品万用表。我最早用UNI-T的UT71，4位半表，具有RS232接口，带有程序；后来用Fluke 289，须要用FlukeView；在基准测试中，我一样平常用3458A加上GPIB卡，灵巧、准确而功能强大。但在这里，我用了Mengxin DIY的手持6位半万用表，这表除了具有高精度、高分辨的特性外，还带有内置MicroSD写卡器，这样在采集的过程中不仅不须要互换供电，还可以分开打算机，避免滋扰。采集的数据为csv格式（逗号分隔文本）。
数据能够采集下来，不仅可以长期无损保存，更可往后续做曲线、进行各种剖析。我喜好用Excel，在保存数据的同时，可以方便的求出均匀值、最大最小值、标准差、阿伦方差等，更紧张的，还可以作图。
15、用微电流源进行测试
有人会问，自己DIY的微电流仪准吗？偏差如何？如何校准？这个么，我这里恰好有个WD-1直流微电流源，输出范围是0.01pA到110uA。
先装好输入BNC插座
用这个WD-1输出1pA对DIY微电流仪进行测试，同时采集：
从表的读数就可以看到，这次比较准了。开始不太准的缘故原由是用的两个100G的电阻，一个偏大另一个偏小。
现在这个Rf是找了一个得当的换上去的。目前正在测试中，测完后我贴出结果。更新，结果出来了，出奇的好。
由于该微电流测试器只有一级，是反向的，因此正电流输入后读数为负。刚才测试的时候把WD-1的输出极性开关放到“-”的位置，输出就为正了。1pA曲线平直、噪音很低。选取最好的100个数打算标准差，为0.28fA，这可以认为便是有效值噪音。同样，选取100个打算峰峰值，仅为1.3fA。从灵敏度看，按噪音有效值的2倍打算，为0.6fA。
100fA的结果类似，直不雅观看一下曲线：
标准差0.30fA，峰峰值1.38fA
那么，如何认定该测试仪的测试100fA的“精度”呢？是2.5%？还是什么别的？
无论如何，可以把这个叫做100fA测试器也是可以的。
至于为什么测试1pA还比100fA好一点，不得而知，大概是有时的。无论如何，1pA和100fA的短期稳定性和重复性附近。用Cf=5pF、Rf=100G带入理论打算公式打算一下，得到电流噪音的理论值是0.29fArms，峰峰值是1.44fA，可以看到，我的测试已经达到了噪音理论值！
要想再好是不可能的了，除非连续增大反馈电阻。
16、如何衡量一个微电流测试器的好坏
有人会说，那还不随意马虎，用精度，或者准确度。
实际不然，计量界早不这么用了，人家用不愿定度。
不愿定度中包含了重复性、偏差，加上其它的，我这里罗列一下：
A、稳定性
稳定是准确的根本，没有稳定性就谈不上精确。比如本日测试一个值，来日诰日测试变了，那还有精度可言吗？或者说，连续测试10次的结果变动很大，又如何准确测试？因此，测试器最主要的便是稳定性，表现在指针表不晃动，数字表的末位不跳动。
详细一点说，稳定性可以分为短期稳定性（短稳）和中长期稳定性。短持重要由噪音和滋扰决定，也可以认为是测试的重复性，可以由噪音的真有效值（rms值）表示，或者由变动的峰峰值表示，打算时可以用标准差，或者更精确一些用阿伦方差（Excel均支持）。
以前手工打算一样平常只取10个连续的测试值打算，用打算机采集后一样平常取100个连续值。峰峰值打算比较粗糙但很方便，一样平常是真有效值的5倍或6倍。中期稳定性一样平常由温度变革引起，长期稳定性一样平常由元件的老化引起，可以表示为每年变动百分之多少。
B、温度变革情形，或者叫温度系数。以每度变革百分之多少来衡量。对付I-V法的微弱电流测试仪，如果泄电能掌握的很好，则温度系数紧张由反馈电阻决定的。因此，若想减少温度的影响，那就要选择温度系数小的Rf。
超高阻的温漂一样平常比较大，哀求高的可以选择氧化钌材料的高阻。其余，运放的Ib如果比较大，也会引起温漂。Vos的温漂对整体性能贡献不大。
C、最小分辨。对付指针表，是指最小档的最小刻度；对付数字表，一样平常是最灵敏量程的最末位数字代表的值。如果噪音太大，那么最小分辨每每没故意义。试想一下，一个数字表在最灵敏的量程下，末位两个数字总在由于噪音的缘故原由在跳动，那最小分辨还有什么意思呢？谁还会去看末了一个数字？
D、灵敏度。灵敏度是度量一个微弱电流计的主要指标，可以认为，灵敏度为仪器能够分辨的输入改变的最小值，再小的输入旗子暗记会被噪音淹没，因此一样平常可以取噪音有效值的2倍。由于噪音的峰峰值大体上为噪音有效值的5倍，因此灵敏度也大体上即是噪音峰峰值的一半。
E、偏差。这个指标实在关系不大，有偏差校准一下就可以，或者知道了偏离多少，纠正一下即可。现在测试仪大多数字化了，数字零点改正、数字比例纠正是很随意马虎的事情。
微电流测试器的校准，可以通过刚才的类似WD-1的微电流源进行，也可以用标准电压和标准高阻来进行。例如Keithley 6517的校准便是这样的。标准电压可以供应到非常好，例如Fluke 732B，可以精确的供应10V和1.018V电压。高阻标准电阻，例如采取成品的BZ17超高阻标准电阻。
大部分静电运放的噪声电流均为0.1到0.2fA/√Hz之间，而新型、低噪音的7721怎么能一下子赶过几十倍？因此我认为该当是0.1fA/√Hz，等价为2.5T的电阻的噪声。另一方面，超高的Rf也将因Ib而产生压降，例如5fA和1T将产生5mV的输出，以是也该当选取Ib尽可能小的。（来源于：38hot）
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