MOS場效應晶體管弱電流放大電路和測量方法概述

通常用于測量弱電流的電路結構有圖2.86所示的三種。圖2.86（a）的電路，信號電流is可由求得。由于負反饋的作用，輸入阻抗降低到（G為放大器的電壓增益）左右，所以適合于測量信號源端短路時的電流。與此相反，圖2.86（b）的電路的輸入阻抗，提高到，適合測量信號源端的開路電壓。MOS場效應晶體管弱電流放大電路。圖（c）是用積分器對信號電流進行積分，根據積分電壓的增長率來求信號電流的大小，其特點是市電電源頻率的感應噪聲等經平均化而被去除。

這些方式的靈敏度均受放大電路漂移的制約。漂移可等效地分為圖（a）所示的放大器輸入端的漏泄電流id（電流源）和電壓性漂移vd。輸出電壓的大小為

式中

信噪比。

放射線探測器、光電管等，其內阻大致可看作無窮大的場合，由于Zf可取得很大，與id相比υd項可以忽略，所以專采用id小的放大元件。PH（酸堿度）計、生物體電位檢測器之類則與之不同，其內阻在中等程度以下（幾十至幾百MΩ以下），id、vd都要考慮^52）58）。

MOS型場效應晶體管的id是柵電流的變化分量^54）。柵電流最終受二氧化硅薄膜漏泄電流的制約，可望得到10-¹⁶A以下的高靈敏度。實際上，與二氧化硅薄膜漏泄電流相比，管殼封接處的漏泄電流分量占優勢。MOS場效應晶體管弱電流放大電路。如圖2.87所示，柵電流Ig是由漏和源通過封接玻璃流入柵的分量IgL1和IgL2，以及通過二氧化硅流入柵的分量Is1和Is2組合而成，并表示為可寫作

IgL1和IgL2主要由封接玻璃的表面污染、玻璃介質的吸收電流決定。長期放置在室內的器件，因表面污染產生的柵電流達左右，經乙醇清洗并烘干后多能恢復到10^-15A左右。為了長期穩定在約10^-15A的靈敏度，須采用引線間隔在數mm以上的結構，進行管殼封裝（封接材料為玻璃或經表面處理的凍石等），同時，因介質吸收引起的起動時的漂移也顯著降低。封裝到這樣封接管殼內的器件還沒有商品，但如圖2.88所示，經乙醇清洗的器件焊在適當的管殼上進行封裝較好。此時，管殼內部毋需抽成真空。用澆鑄塑料樹脂進行封裝時，因樹脂有內應力形成極化電荷而產生脈沖性噪聲，這種噪聲的消逝需要很長時間。

圖2.89是測量柵電流的示例。（i）為表面較臟的管子，漏電阻約為2×10¹⁴Ω，（ii）是一般合格產品，若加寬引線間距，如（iii）所示，漏電阻可改善到2×10¹⁶Ω。圖2.90是通常的TO-18型管殼封接玻璃的吸收電流的測量示例，經3分鐘左右可達穩定狀態。

電壓性漂移υd引起的漂移電流的大小，由式（2.154）可得

式中

υd的大小與直流工作點有關，如適當規定工作點，υd可在數+μV/℃以下；最近多采用特性一致的對管構成差分放大電路，不必調節工作點就能得到100~200μV/℃的υd。

圖2.91是典型的差分放大電路示例。采用Rf=10¹⁶~10¹²Ω，可得約1×10^-15A的電流靈敏度。設電壓性漂移為100μV/℃，Rf=1×10^-15A/℃。第二級或第三級電路采用直流工作點穩定的雙極型晶體管差分放大電路。MOS場效應晶體管弱電流放大電路。在電路結構上應注意初級場效應晶體管的柵要經高絕緣性的凍石或聚四氟乙烯接頭與輸入端相連。這是為了防止由附近的放大器電源布線經印刷電路板的表面電阻漏進來的漏泄電流（參見圖2.92）。

布線上應注意之點是，避免在上焊錫時或無意用手觸摸柵電極時造成柵絕緣層的破壞。因柵輸入電容為3pF左右，對于50或60Hz的市電頻率而言，柵阻抗約為1000MΩ。因而若烙鐵的漏泄電阻在此量級以下，焊線時就會在柵上加100V左右的電壓。為此，焊線時預先要將柵與其它電極（源或漏）短路或將路鐵接地。另外，在冬季人體特別容易帶電，若無意用手觸摸開路的柵電極，就會產生200V以上的圖2.92防止棚漏泄電流示例電壓，往往使柵極在瞬息之間遭到破壞。只要在接線操作中注意將柵極短路，上述情況即可防止。對弱電流放大電路來說，因為負反饋電阻、輸入電阻等數值很大，容易產生各種靜電感應。MOS場效應晶體管弱電流放大電路。因而對輸入電路進行靜電屏蔽是必不可少的，靜電屏蔽同時對空氣中天然放射性物質（主要是氡（Rn））的自然衰變感生的脈沖性噪聲亦有衰減效用^55）。

氡的自然衰變所產生的a粒子，與空氣分子碰撞引起一次電離和二次電離，可產生約10^-14庫侖的離子對。這種離子對沿放大器輸入電路附近的電場運動時，其靜電感應電流即形成脈沖性噪聲。因為靜電屏蔽可截斷由外部打入的a粒子，同時減少內部的空氣量，所以有降低自然衰變頻度的效果。圖2.93是這種脈沖性噪聲的例子。

如圖2.94（a）所示，MOS晶體管的柵引線和負反饋電阻Rf作靜電屏蔽時，屏蔽罩容積和脈沖數目關系，如圖2.94（b）所示。

由式（2.154）可知，弱電流放大電路的增益（轉換阻抗）可寫作

從而直流增益即為負反饋電阻Rf，但由于Rf是高阻，與Rf并聯的少許雜散電容Cf對整個頻帶寬度起制約作用。例如，設Rf=1×10¹²Ω，Cf=0.1pF，頻帶寬度（-3dB）為

一般來說，與放大器開環增益G的頻帶寬度相比要低得多。為此，要加寬頻帶，首先應設法降低Cf。

圖2.95（a）為其一例。負反饋電阻Rf穿過靜電屏蔽板支撐，并使Cf接地，以降低負反饋電容；圖2.95（b）是改進后的方法，將Rf加屏蔽罩，同時用導電金屬管包起來，以設法降低Rf的對地電容。采取此種措施時，上述帶寬約可改善一兩個數量級。

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