在大多数情况下,使用安培计或皮安计来测量电流。然而,对于飞安级的电流来说,使用静电计的库仑功能测量电荷随时间的变化,然后根据电荷的测量来决定电流可能会更好。
基本电荷测量方法
电荷难于直接测量,必须将其与一个易于测量的量联系起来。进行这类测量的一个常用的方法是测量已知容量电容器上的电压。
电荷与电容器电压之间的关系如下:
Q = CV
其中:Q = 电容器电荷(库仑)
C = 电容器的容量(法拉)
V = 电容器上的电压(伏)
一旦电荷的变化率已知,就可以很容易地根据电荷测量来计算电流。瞬时电流(i)为
而长期平均电流为:
因此,通过一系列电压测量就可以测量电荷,并能简单地算出电流。
使用反馈库仑计测量电流
电荷可以用反馈库仑计来直接测量。图2-27示出反馈型库仑计的简化模型。电路的输入电流为IS,输出电压为VOUT,反馈电容器为CF。
电流(IS)加到反馈库仑计的输入端。此电路为一个积分器,电荷由电流的积分来决定:
库仑计由输出电压和反馈电容器的容量来决定电荷:
QM= CFVOUT
根据测量出的电荷(QM),用户就能够计算出电流:
iM = CF (dVOUT / dt) = dQM / dt
长期平均电流(IAVG)可以从输出电压在规定时间期间内的变化计算出来:
为了计算方便,在单次触发模式下,设置测量时间间隔为1秒。可以用静电计的“REL”或清零功能来使读数复位。
固定积分时间方法
图2-28所示的固定积分时间法可以用来测量电流,并且是反馈库仑计技术的一种变形。在这种情况下,以规定的等长的时间间隔测量不断增加的电荷值。在给定时间内的平均电流(IAVG)可以由该直线的斜率决定,并计算如下:
这种方法给出该时间间隔内的平均电流,并且以积分时间决定的稳定的速率产生读数。通过用软件得到连续读数之间的差值,可以自动地实现这种方法。
固定阈值法
图2-29所示的固定阈值法与刚刚介绍的固定积分时间法有些类似。然而,在这种情况下,电荷测量从时间t1开始,并继续到时间t2时电荷值达到一个预定的阈值。于是电流可以计算如下
注意,库仑计电容器的电压系数对总电流测量的准确度没有影响。只要阈值点和时间间隔准确已知,电流测量的准确度就会很好。但是,当电流变化时,读数时间间隔是不等间距的;在给定时间内平均电流很小时,读数之间的时间间隔可能会很长。
用库仑计测量电流的好处
在某些情况下,使用库仑计代替安培计测量电流有多种好处:
● 更低的电流噪声:安培计使用反馈电阻器,而该电阻器具有很大的约瑟夫逊噪声。在电荷测量时,此电阻器为电容器所代替,而电容器在理论上是没有约瑟夫逊噪声的。结果,用电荷法测量电流比直接用反馈安培计测量电流的噪声更低。所以,在需要电流噪声性能小于 1fA峰峰值时,电荷法会更好。(参见第2.6.5节的图2-52,并注意反馈电阻大于1012 Ω是不实际的。)
● 更快的建立时间:反馈安培计的速度受到其反馈电路时间常数(RFCF)的限制。例如,反馈电阻大于10GΩ时,寄生电容将响应时间限制在几十毫秒。相反,反馈电荷积分器能立即响应,并只受运算放大器速度的限制。
● 能够积分随机脉冲:单位时间传送的随机脉冲串的平均电荷可以通过在给定时间内对电流脉冲串进行积分来估计。平均电流的幅度可以由总电荷除以测量的时间来表示。在平均非常小的、不稳定的电流时,这种技术特别有用。如果占空比已知,还可以确定脉冲的幅度。
● 输入分流电容的噪声影响变得最小:噪声增益主要由CIN/CF 决定,而库仑计的CF比安培计大得多,所以可以容许大得多的输入电容值。在测量大电容的源或者使用长的连接电缆时,这种特性极为有利。