然而，但隨著科技的進(jìn)步，設(shè)備越來越精密化，對于超微弱電流的測量的需求也不斷涌現(xiàn)，nA（10^-9）、fA（10^-15）級別的電流也變得常見起來，例如光電效應(yīng)的測試——光照在光電發(fā)射材料上會打出電子，如何對這些電子進(jìn)行觀察？這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出手邊儀表能測量范疇的弱信號，對于精于信號調(diào)理的高性能模擬技術(shù)提供商ADI來說，絕不是難事。

 

許多應(yīng)用需要實現(xiàn)超高靈敏度測量系統(tǒng)。

 

測量微弱電流，運算放大器是關(guān)鍵

 

在前面提到的光電效應(yīng)觀測中，所產(chǎn)生電子以個數(shù)計，面對如此微弱的電流，常規(guī)的測量方案就無能為力了。在一般的微弱電流檢測儀中，通常會采用一個I-V電路對輸入的微弱電流信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大，從而獲得待測微弱電流的信號大小。在此電路中，最為核心的器件就是用于調(diào)理信號的運算放大器，它的精度決定了測試儀的靈敏度。而要滿足此時的超低電流測量要求，就需要選取一個高輸入阻抗、極低輸入偏置電流的運算放大器作為前置放大器。這樣可以防止運算放大器的輸入偏置電流信號對輸入的微弱電流信號造成分流，影響電路檢測的精度。

 

點擊觀看——ADA4530-1靜電計運算放大器：測量fA電流

 

ADI推出的靜電計運算放大器ADA4530-1能夠滿足這樣的要求，它的典型偏置電流為0.1fA，這相當(dāng)于每秒624個電子。此放大器外形緊湊，確?；瘜W(xué)分析儀器可在更廣泛的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)最高精度和數(shù)據(jù)可重復(fù)性，從而降低總體物料成本和設(shè)計尺寸。ADA4530-1運算放大器的成功之處在于其偏置電流極低，為競爭產(chǎn)品的二十分之一，甚至更低。如此之低的偏置電流使得ADA4530-1成為連接對輸出負(fù)載敏感的傳感器（如光電二極管）以及精度監(jiān)測/分析設(shè)備中常用的其他高輸出阻抗傳感器的理想選擇，例如分光光度計、色譜儀、質(zhì)譜儀，以及恒電位和恒電流庫倫分析測量設(shè)備。這款放大器還可用作皮安計和庫侖計測量系統(tǒng)的前端放大器，光電二極管、電離室和工作電極測量的跨阻放大器，或化學(xué)和電容傳感器的高阻抗緩沖器。

 

溫度為25℃時，ADA4530-1的典型輸入偏置電流<1 fA，如此超低電流甚至無法通過任何儀表準(zhǔn)確測量。例如，Keithley 6430 SourceMeter® 的失調(diào)電流在1 pA量程下最低為7fA。因此，要測量IB，需要加熱DUT以增大輸入偏置電流，使其達(dá)到可測量的值。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊規(guī)格，溫度為125℃時可測量到的最大IB值為±250fA。

 

ADA4530-1電路

 

即使在較為苛刻的使用環(huán)境中，ADA4530-1運算放大器也能滿足較低的輸入偏置電流需求，它的工作溫度可從-40℃到125℃。在125攝氏度時，ADA4530-1的輸入偏置電流為250 fA，在85℃時降至20 fA，如此低的偏置電流在超低電流測試中具有極大的性能優(yōu)勢。此外，ADA4530-1是唯一一款能夠在室溫至85℃范圍內(nèi)都能一直保持相同的20 fA輸入偏置電流的運算放大器，能在室溫至125℃范圍內(nèi)通過全面偏置電流生產(chǎn)測試偏置電流會妨礙系統(tǒng)設(shè)計人員充分發(fā)揮傳感器的靈敏性，因為他們需要為偏置電流的較大變化范圍預(yù)留一些防護(hù)頻帶。

 

ADA4530-1具有片內(nèi)防護(hù)緩沖器，可以追蹤輸入共模電壓并提供輸出，用以驅(qū)動PCB保護(hù)環(huán)或互連的屏蔽體，目的是減少傳感器和放大器之間敏感連接器中雜散電容的影響。從而簡化了傳感器接口設(shè)計，客戶無需再為所需輸出驅(qū)動器設(shè)計單獨的電路，這樣可以減少設(shè)計時間、節(jié)省成本和PCB空間。ADA4530-1還提供了低失調(diào)電壓，低失調(diào)漂移以及要求低漏電的應(yīng)用所需的低電壓和電流噪聲。為了使系統(tǒng)的動態(tài)范圍最大化，ADA4530-1具有一個軌至軌輸出級，通?？稍?0kΩ負(fù)載下驅(qū)動至電源軌的30 mV以內(nèi)。

 

基于ADA4530-1的超低電流測試電路設(shè)計要點

 

超低電流測量常用到靜電計，又叫電勢差計或指針驗電器，在中學(xué)靜電實驗中常用的半定量測量儀器也是此類產(chǎn)品，靜電計可以用來檢驗物體所帶電荷的種類并且測量電量。靜電計可以具有電壓表、電流表、歐姆表、庫侖計功能，要實現(xiàn)精確測量的靜電計電路這類高靈敏度檢測器需要精密信號鏈以支持極低的檢測水平，通常具有超高輸入阻抗 （通常在100TΩ以上或高達(dá)10PΩ），以及超低輸入失調(diào)電流 （小于50fA或低至50aA），采用跨阻放大器用于電流測量。

 

設(shè)計超高靈敏度飛安計電路無疑是極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。測量信號時，測量電平必須高于噪聲，低電平測量要求我們更靠近陰影區(qū)域， 需要采取特殊措施才能獲得精確結(jié)果。

 

只有測試限值內(nèi)才能實現(xiàn)電流精確測試。

 

ADI給出了現(xiàn)成的電路模塊和電路原理圖如下圖所示，此超高靈敏度飛安電流測量平臺允許直接連接應(yīng)用環(huán)境中的傳感器，可以通過SMA連接器與光電二極管、法拉第筒等傳感器直接連接，實現(xiàn)<10fA靈敏度，10GW跨阻和500pA測量范圍。該模塊采用飛安輸入偏置運算放大器ADA4530-1以及24位分辨率ADC AD7172-2，以及利用數(shù)字隔離器ADuM3151實現(xiàn)隔離。

 

超高靈敏度飛安計模塊電路原理圖和實物圖

 

事實上，完整的設(shè)計過程復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性。總體而言，為實現(xiàn)高靈敏度電流測量，必須使輸出誤差最小并使SNR最大：為使輸出誤差最小，需要使用低IB和低漂移的高精度放大器；為使SNR最大，要求精心選擇增益器件。此外，設(shè)計低電流測量硬件需要考慮一些獨特的問題，例如板漏電、污染、濕氣、電介質(zhì)吸收、線纜等可能會帶來相當(dāng)大的測量誤差，運用最佳的保護(hù)、屏蔽、清潔/搬運方法，使用適當(dāng)?shù)陌?焊接材料和布線來降低誤差。

 

設(shè)計低電流測量硬件需要關(guān)注很多細(xì)節(jié)。

 

總結(jié)

 

在操作測量逐漸精密化的現(xiàn)在，ADI推出的運算放大器ADA4530-1采用CMOS工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)最高4000V的ESD以及20fA級別的偏置電流，可廣泛應(yīng)用在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)控、過程控制等儀器上，如氣相色譜儀、定便器、火焰離子化檢測器、光譜議等，可以確保完成高靈敏度、低誤差的超低電流測量。

 

ADA4503-1

 

●   低輸入偏置電流 

    ○ 最大值：±20 fA（TA = 25°C，在產(chǎn)品測試中保證）

    ○ ±20 fA maximum at −40°C < TA < +85°C

    ○ 最大值：±250 fA（−40°C < TA < +125°C，在產(chǎn)品測試中保證）

●   低失調(diào)電壓：最大值：50 μV（在額定CMRR范圍內(nèi)）

●   失調(diào)漂移：0.13 μV/°C（典型值），0.5 μV/°C（最大值）

●   集成防護(hù)緩沖區(qū)具有100 μV最大失調(diào)

●   低噪聲：14 nV/√Hz (10 kHz)

●   寬帶寬：2 MHz單位增益交越

●   電源電壓：4.5 V至16 V（±2.25 V至±8 V）

●   工作溫度：-40℃至+125℃

 

 

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