MOS场效应晶体管弱电流放大电路和测量方法概述

通常用于测量弱电流的电路结构有图2.86所示的三种。图2.86（a）的电路，信号电流is可由求得。由于负反馈的作用，输入阻抗降低到（G为放大器的电压增益）左右，所以适合于测量信号源端短路时的电流。与此相反，图2.86（b）的电路的输入阻抗，提高到，适合测量信号源端的开路电压。MOS场效应晶体管弱电流放大电路。图（c）是用积分器对信号电流进行积分，根据积分电压的增长率来求信号电流的大小，其特点是市电电源频率的感应噪声等经平均化而被去除。

这些方式的灵敏度均受放大电路漂移的制约。漂移可等效地分为图（a）所示的放大器输入端的漏泄电流id（电流源）和电压性漂移vd。输出电压的大小为

式中

信噪比。

放射线探测器、光电管等，其内阻大致可看作无穷大的场合，由于Zf可取得很大，与id相比υd项可以忽略，所以专采用id小的放大元件。PH（酸碱度）计、生物体电位检测器之类则与之不同，其内阻在中等程度以下（几十至几百MΩ以下），id、vd都要考虑^52）58）。

MOS型场效应晶体管的id是栅电流的变化分量^54）。栅电流最终受二氧化硅薄膜漏泄电流的制约，可望得到10-¹⁶A以下的高灵敏度。实际上，与二氧化硅薄膜漏泄电流相比，管壳封接处的漏泄电流分量占优势。MOS场效应晶体管弱电流放大电路。如图2.87所示，栅电流Ig是由漏和源通过封接玻璃流入栅的分量IgL1和IgL2，以及通过二氧化硅流入栅的分量Is1和Is2组合而成，并表示为可写作

IgL1和IgL2主要由封接玻璃的表面污染、玻璃介质的吸收电流决定。长期放置在室内的器件，因表面污染产生的栅电流达左右，经乙醇清洗并烘干后多能恢复到10^-15A左右。为了长期稳定在约10^-15A的灵敏度，须采用引线间隔在数mm以上的结构，进行管壳封装（封接材料为玻璃或经表面处理的冻石等），同时，因介质吸收引起的起动时的漂移也显著降低。封装到这样封接管壳内的器件还没有商品，但如图2.88所示，经乙醇清洗的器件焊在适当的管壳上进行封装较好。此时，管壳内部毋需抽成真空。用浇铸塑料树脂进行封装时，因树脂有内应力形成极化电荷而产生脉冲性噪声，这种噪声的消逝需要很长时间。

图2.89是测量栅电流的示例。（i）为表面较脏的管子，漏电阻约为2×10¹⁴Ω，（ii）是一般合格产品，若加宽引线间距，如（iii）所示，漏电阻可改善到2×10¹⁶Ω。图2.90是通常的TO-18型管壳封接玻璃的吸收电流的测量示例，经3分钟左右可达稳定状态。

电压性漂移υd引起的漂移电流的大小，由式（2.154）可得

式中

υd的大小与直流工作点有关，如适当规定工作点，υd可在数+μV/℃以下；最近多采用特性一致的对管构成差分放大电路，不必调节工作点就能得到100~200μV/℃的υd。

图2.91是典型的差分放大电路示例。采用Rf=10¹⁶~10¹²Ω，可得约1×10^-15A的电流灵敏度。设电压性漂移为100μV/℃，Rf=1×10^-15A/℃。第二级或第三级电路采用直流工作点稳定的双极型晶体管差分放大电路。MOS场效应晶体管弱电流放大电路。在电路结构上应注意初级场效应晶体管的栅要经高绝缘性的冻石或聚四氟乙烯接头与输入端相连。这是为了防止由附近的放大器电源布线经印刷电路板的表面电阻漏进来的漏泄电流（参见图2.92）。

布线上应注意之点是，避免在上焊锡时或无意用手触摸栅电极时造成栅绝缘层的破坏。因栅输入电容为3pF左右，对于50或60Hz的市电频率而言，栅阻抗约为1000MΩ。因而若烙铁的漏泄电阻在此量级以下，焊线时就会在栅上加100V左右的电压。为此，焊线时预先要将栅与其它电极（源或漏）短路或将路铁接地。另外，在冬季人体特别容易带电，若无意用手触摸开路的栅电极，就会产生200V以上的图2.92防止棚漏泄电流示例电压，往往使栅极在瞬息之间遭到破坏。只要在接线操作中注意将栅极短路，上述情况即可防止。对弱电流放大电路来说，因为负反馈电阻、输入电阻等数值很大，容易产生各种静电感应。MOS场效应晶体管弱电流放大电路。因而对输入电路进行静电屏蔽是必不可少的，静电屏蔽同时对空气中天然放射性物质（主要是氡（Rn））的自然衰变感生的脉冲性噪声亦有衰减效用^55）。

氡的自然衰变所产生的a粒子，与空气分子碰撞引起一次电离和二次电离，可产生约10^-14库仑的离子对。这种离子对沿放大器输入电路附近的电场运动时，其静电感应电流即形成脉冲性噪声。因为静电屏蔽可截断由外部打入的a粒子，同时减少内部的空气量，所以有降低自然衰变频度的效果。图2.93是这种脉冲性噪声的例子。

如图2.94（a）所示，MOS晶体管的栅引线和负反馈电阻Rf作静电屏蔽时，屏蔽罩容积和脉冲数目关系，如图2.94（b）所示。

由式（2.154）可知，弱电流放大电路的增益（转换阻抗）可写作

从而直流增益即为负反馈电阻Rf，但由于Rf是高阻，与Rf并联的少许杂散电容Cf对整个频带宽度起制约作用。例如，设Rf=1×10¹²Ω，Cf=0.1pF，频带宽度（-3dB）为

一般来说，与放大器开环增益G的频带宽度相比要低得多。为此，要加宽频带，首先应设法降低Cf。

图2.95（a）为其一例。负反馈电阻Rf穿过静电屏蔽板支撑，并使Cf接地，以降低负反馈电容；图2.95（b）是改进后的方法，将Rf加屏蔽罩，同时用导电金属管包起来，以设法降低Rf的对地电容。采取此种措施时，上述带宽约可改善一两个数量级。

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