电流测量中引起误差电流的原因解析

中心议题：

• 偏执电流产生的原因
• 摩擦电效应对电流测量的影响
• 压电效应和储存电荷效应对电流测量的影响
• 污染和湿度、介电吸收对电流测量的影响

测试系统中任何额外产生的电流都会加到被测电流中去而引起误差。这种电流可以在内部产生，如仪器的输入偏置电流；也可以从外部而来，如来自绝缘子和电缆。以下将讨论各种电流产生原因。

1. 偏置电流

偏置电流可以在仪器内部产生（输入偏置电流），也可以由外部电路产生（外部偏置电流）。

① 输入偏置电流
当输入端开路时，理想安培计的读数应当为零。然而，实际的安培计在输入端开路时的确有一些小的电流。这种电流称为输入偏置电流，是由有源器件的偏置电流以及流过仪器内部的绝缘子的泄漏电流所引起的。皮安计、静电计和SMU中产生的偏置电流在仪器的技术指标中给出。输入偏置电流叠加到被测电流上，所以仪表测量的是两个电流之和： IM = IS + IOFFSET

输入偏置电流可以通过盖上（capping）输入连接器并选择最低的电流量程来决定。用大约5分钟的时间使仪器达到稳定，然后读取读数。该读数应当在仪器的技术指标之内。

从测量结果中减去输入偏置电流的另一种方法是使用安培计的相对（REL或ZERO）功能。在开路的情况下使读数达到稳定，然后打开REL功能。建立REL值以后，以后的读数就都是实际输入值和该REL值之差。

②外部偏置电流
外部偏置电流可以由与安培计相连的绝缘体上的离子沾污产生。这种偏置电流也可以由摩擦电效应和压电效应等原因在外部产生。外部偏置电流也加到源电流上，仪表显示的也是这二者之和。

外部偏置电流可以用仪器的电流抑制功能（如果有此功能的话）来消除，也可以用一个比较稳定、安静的外部电流源来消除。采用这种方法时，仪表测量的电流为： IM = IS + IOFFSET - ISUPPRESS

如果IOFFSET和ISUPPRESS大小相等、极性相反，则： IM = IS

采用外部电流源的好处是IOFFSET可以等于甚至大于仪器满量程之值，只要IOFFSET - ISUPPRESS 比较小即可。

2.摩擦电效应

摩擦电电流是由导体和绝缘体之间摩擦产生的电荷生成的。这时，摩擦引起自由电子脱离导体，产生电荷不平衡，从而产生电流。

“低噪声”电缆能大大降低这种效应。这种电缆通常使用聚乙烯的内层绝缘层，并在外层屏蔽的下面涂敷以石墨。石墨可以起润滑作用，并形成导电的等电位圆柱体，以使电荷平衡并尽量降低由电缆运动的摩擦效应所产生的电荷。然而，在受到振动或伸缩作用时，即使是低噪声电缆也会产生一些噪声。所以，所有的连接都要尽量地短，避免温度变化的影响（温度变化会产生热膨胀力），并且最好将电缆固定在不振动的表面，如墙壁、桌面或其它牢固的结构上。

有多种方法可以解决运动和振动的问题：

• 消除与振动源的机械耦合。马达、泵和其它的电机设备都是常见的振动源。
• 使测试夹具稳定。牢靠地固定或绑扎电子元件、导线和电缆。屏蔽应当牢靠、完善。

摩擦电效应也可能在其它绝缘体和导体互相接触摩擦时发生。所以在构建测试夹具和进行弱电流及高阻抗连接时，尽量减少绝缘体之间及导体之间的接触也是很重要的。
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3.压电效应和储存电荷效应

某些晶体材料用作绝缘端子和连结件时，若向其施加机械应力，就会产生压电电流。在某些塑料中，电荷的储存使该材料的性质类似于压电材料。压电绝缘体的端子示于图1。

为了尽量减小这种效应产生的电流，重要之点在于消除绝缘子上的机械应力并使用压电效应和储存电荷效应最小的绝缘材料。

这种效应和金属板与端子之间的电容变化无关。由于电荷的运动产生了电流。

在实际工作中，区分储存电荷效应（在绝缘体中）和压电效应可能是相当困难的。无论对哪种现象，选择很好的绝缘材料，并使连接结构尽可能地牢固都是很重要的。

4.污染和湿度

当离子化学物质在电路板上的两个导体之间生成弱的化学电池时，电化学效应就会产生误差电流。例如，常用的环氧树脂印制电路板，如果没有彻底地清洗掉腐蚀加工用的溶液、焊剂或其它的污染物，就能在两个导体之间产生几个纳安的电流（见图2）

高湿度和离子污染能够大大降低绝缘电阻。在发生结露或水吸收的情况时，就会出现高湿度，而离子污染则可能由人体的油脂、盐分和焊剂等产生。

这些污染的主要结果是降低绝缘电阻。在高湿度和离子污染的双重作用下，还能形成导电通路，甚至可以形成具有高串联电阻的化学电池。这种情况下形成的电池能够在很长的时期内输出皮安或纳安级的电流。

为避免污染和湿度的影响，应当选择抗吸水的绝缘材料，并将湿度保持在适当的水平。而且，还要确保所有的绝缘体清洁、不受污染。

如果绝缘体受到污染，可使用清洁的溶剂，如甲醇来清洗所有的互连电路。重要之点是在污染物溶解到溶剂中以后，将其完全冲净，使之不再沉积下来。清洗时只能使用纯净的溶剂；低等级的溶剂可能含有污染物，清洗后会留下电化学薄膜。

5.介电吸收

在绝缘体上施加电压时，由于各种极性分子以不同的速率运动，使得绝缘体内部的正、负电荷发生极化，这时绝缘体内就会发生介电吸收现象。当撤去电压时，这些分离的电荷在重新组合时会在与绝缘体相连的电路中产生衰减的电流。

为了尽量减小介电吸收对电流测量的影响，避免向进行灵敏电流测量时所使用的绝缘体施加大于几伏的电压。在实际工作无法避免这种情况时，可能需要经过几分钟、有时甚至几个小时，介电吸收引起的电流才会消散。