高稳定低噪声微弱电流放大器-ULCA-1 Current Amplifier/Generator

一、产品概述

ULCA-1（Ultrastable Low-noise Current Amplifier）是德国联邦物理技术研究院 PTB 原创、Magnicon 授权商业化的两用型微弱电流精密仪器，支持微弱电流测量与溯源标准微电流输出两大工作模式，量程覆盖 1 飞安至 1 微安。设备采用两级高精度薄膜电阻跨阻架构，跨阻增益经低温电流比对仪 CCC 校准，测量不确定度极低；整机具备极低输入噪声、长期低漂移、低温系数小三大核心特性，无需低温环境，室温即可开展量子级微量电流实验。

整机采用铜质屏蔽机身抑制外界电磁干扰，搭配专用 BatBox 隔离锂电供电箱，减小市电地线环路噪声；配套低噪声同轴线缆、无源滤波盒、精密分压盒、标准高阻盒等全套外设，可快速搭建可溯源 fA 级电流校准平台，是国家级电学计量院、量子物理实验室、低温探测科研平台核心标准设备。

三、工作原理与整机结构

1.核心工作原理

   整机采用两级放大转换架构：一级 1000 倍电流增益模块搭配后端 I-V 转换标准电阻，形成稳定固定跨阻增益 \(A_{TR}\)，输入微弱电流直接线性转换为 可读取输出电压，满足高精度采集需求。

• 测量模式（AMP）：待测微弱电流输入，转化为标准电压输出，搭配高精度数字电压表读取；

• 电流源模式（SRC）：外接波形发生器输入参考电压，反向输出可溯源标准微量电流，用于仪表校准；

   设备内置 PTAT 温度传感单元，实时监测机身温度，可对跨阻增益做温度修正，进一步提升长期测量准确度。整机增益全部通过 PTB 低温电流比对仪标 定，量值可溯源至量子霍尔电阻标准。

2. 整机硬件结构组成

1. ULCA-1 主机：铜屏蔽机身，多路 SMA 信号接口、LEMO 电源接口、温度监测输出；分标准 / 低噪声 / 低电流三款硬件版本；

2. BatBox 隔离锂电供电单元：双锂电自动轮换供电，市电 / 离线双模式；

3. 无源配套外设：低噪声输入线缆、滤波盒 FilterBox、分压 DividerBox、标准高阻 ResistorBox；

4. 辅助配件：各类 SMA/BNC 转接、温度记录仪、运输防震机箱。

四、全系列完整技术参数表

4.1 三款机型核心对比总表

4.2 整机通用电气规格

• 输入输出耐压上限：±10 V（TEST 接口最高支持 ±44 V）

• 最大允许电流：±10 mA

• 内置温度传感器：23℃基准 560 mV，温度系数 1.9 mV/K

• 供电方案：BatBox 双 12V 铅凝胶电池，市电 15V 适配器充电

• 接口类型：多路 SMA 信号接口、4pin LEMO 电源、4mm 接地端子

• 机身材质：导电黑色镀层铜壳体，电磁屏蔽结构

• 出厂标定：每台附带 PTB 溯源校准证书，记录整机跨阻、温度系数

4.3 配套外设参数

• FilterBox 二阶低通滤波器：3dB 截止 5.2Hz，抑制发生器高频噪声；

• DividerBox：100:1 精密电阻分压模块，适配微小电流发生；

• ResistorBox：10 路 10MΩ 串联，等效 100MΩ 外接转换电阻；

• 低噪声线缆：BEDEA MXR 0.45L 低摩擦同轴，抑制摩擦生电噪声；

• 温度记录仪 LOG32T：全程记录运输与实验温度曲线。

五、产品核心特点

• PTB 原厂量子级标定：整机跨阻增益由低温电流比对仪 CCC 校准，量值溯源量子霍尔、约瑟夫森基准，计量实验室一级标准设备；

• 测量 / 源两用一体化：单台设备既可测 fA 级微弱电流，也可输出可溯源标准微电流，一套设备覆盖两类实验需求；

• 极低噪声与长期稳定：最低 0.9 fA/√Hz 输入噪声，年漂移低于 5 ppm，短期一周波动＜0.1 ppm，长期实验无需频繁校准；

• 宽动态量程覆盖：1 fA 至 1 µA 分段测量，兼顾微弱信号与百 nA 级常规微量电流；

• 低温度漂移特性：跨阻温漂＜0.25 ppm/K，搭配内置温度传感可实时修正测量偏差；

• 隔离锂电低噪声供电：BatBox 双电池自动切换，屏蔽实验室市电工频干扰；

• 全套低噪声配套：专用抗摩擦线缆、无源滤波、精密分压配件，完整抑制系统杂散噪声；

• 多实验模式适配：支持直测、外接高阻扩展、标准电阻比对、微量电流发生四种主流测试组态。

六、全套配套组件明细

1. 标准成套标配

1 台 ULCA-1 主机、1 套 BatBox 锂电供电箱、15V 充电电源、1m 低噪声输入同轴电缆、全套 SMA/BNC 转接、运输防震机箱、温度记录仪、原厂校准证书、操作手册。

2. 可选功能外设

• FilterBox 低通滤波盒；

• DividerBox 精密分压模块；

• ResistorBox 100MΩ 标准高阻盒；

• 加长定制低噪声屏蔽线缆；

3. 配套测控外设推荐

高精度八位半数字电压表、可编程波形发生器、自动化采集 PC 与测控软件。

七、典型应用场景

1. 电学计量实验室微量电流校准

      皮安表、静电计、微弱电流源量值溯源标定，搭建 fA 级电流一级标准装置，用于计量比对、能力验证。

   2.单电子泵、量子器件表征

      单电子晶体管、量子电流源输出精准测量，量子电学基础物理实验，输出电流不确定度标定。

   3.极低温探测设备配套

     TES 红外 / 单光子探测器、稀释制冷机内部微弱读出电流实时采集，mK 温区低噪声信号测试。

   4.高阻元件精密标定

     GΩ 级高阻电阻、薄膜绝缘材料漏电流测试，搭配内部 / 外接标准电阻完成比值校准。

   5.生物、半导体微弱信号检测

      光电倍增管、半导体微弱漏电流、生物传感皮安级信号长期稳定测量。

  6.计量院巡回标准装置

     可离线锂电供电，携带至各分实验室开展微量电流现场比对实验。

本产品技术参数、硬件架构、应用方案全部源自 Magnicon 官方网站http://www.magnicon.com/metrology-systems/ulca-1-current-amplifier/generator 及原厂 ULCA-1 Rev1 操作手册，设备由德国 PTB 布伦瑞克物理技术研究院授权开发；我司北京启星创通科技有限公司提供原厂整机、全套配套外设供货，同步提供选型、全程技术对接服务。