【導(dǎo)讀】在模擬的世界里,微弱電流信號(hào)的測(cè)量通常是工程師需要面對(duì)的棘手挑戰(zhàn)。隨著各種儀器儀表的產(chǎn)品性能迭代以及各種新應(yīng)用的層出不窮,對(duì)于微弱電流的測(cè)量范圍已經(jīng)從微安級(jí)(μA)提升到了皮安級(jí)(pA),提升了足足一百萬(wàn)倍。
為了測(cè)量微弱的電流,通常工程師將運(yùn)放進(jìn)行跨阻方式連接,見(jiàn)圖1所示。
圖 1 跨阻放大器
理想運(yùn)算放大器的反相輸入端處于虛地,輸入端所有電流流經(jīng)反饋電阻 R f ,因此輸出電壓Vout = R f × I d 。
所以工程師只需要選擇一個(gè)Rf為10GΩ的電阻,就可以將1pA的電流信號(hào)變換成10mV的電壓信號(hào)了嗎?答案是否定的。工程師會(huì)面臨非常多的挑戰(zhàn):來(lái)自運(yùn)放自身的偏置電流誤差,環(huán)境溫度與濕度的變化,PCB板的泄漏電流,輸入端與線(xiàn)路噪聲,電磁干擾等等,這些都是擺在精密測(cè)量方面的難題。
選擇一款超低偏置電流的放大器成為了工程師挑戰(zhàn)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。1987年,一款JFET放大器AD549橫空出世,成為了精密電流測(cè)量應(yīng)用三十年來(lái)經(jīng)久不衰的經(jīng)典產(chǎn)品。光譜儀,氣相色譜儀,靜電計(jì)應(yīng)用中處處可見(jiàn)其身影。其低至100-250fA的輸入偏置電流(圖2)以及優(yōu)異的溫漂曲線(xiàn)以今天的眼光來(lái)看,都是幾無(wú)對(duì)手。
圖2 摘自AD549數(shù)據(jù)手冊(cè)
以超越致敬經(jīng)典,這成為了ADI人對(duì)技術(shù)的一種追求。2015年底,ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工藝實(shí)現(xiàn)了JFET的性能挑戰(zhàn)。其失調(diào)電壓最大50μV,偏置電流在−40°C 至+85C范圍內(nèi)均不超過(guò)20fA —— 高溫性能比AD549提升了幾百倍。
圖 3 摘自ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊(cè)
圖4 ADA4530-1與AD549對(duì)比表
有了優(yōu)異的器件,如何將其性能發(fā)揮出來(lái),從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度去滿(mǎn)足皮安級(jí)電流測(cè)量的性能要求?針對(duì)中國(guó)工程師的需求,與ADI合作三十多年的技術(shù)分銷(xiāo)商Excelpoint世健挑戰(zhàn)難關(guān),它的上海技術(shù)團(tuán)隊(duì)在原有設(shè)計(jì)的皮安級(jí)電流計(jì)量評(píng)估
套件的基礎(chǔ)上做了大幅度的改進(jìn),于2020年10月正式發(fā)布了可商業(yè)化的超高精度皮安計(jì)模塊 EPSH-PAM2.0 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)PAM2.0模塊)。
世健技術(shù)支持部的高級(jí)副總裁戈一新向我們介紹道:“精心的模塊設(shè)計(jì),嚴(yán)格的工藝制作,保證了PAM2.0模塊的性能與質(zhì)量。50µV(相當(dāng)于5fA)的RMS底噪,能滿(mǎn)足絕大部分微弱電流信號(hào)測(cè)量用戶(hù)的需求。”
圖5 外觀與軟件界面
PAM2.0模塊采用4層板布局及FR-4 PCB板材。工程師巧妙的采用了AD549國(guó)內(nèi)經(jīng)典的反相端懸空柱接方式,使得FR-4板材的效果依舊可以媲美ROGERS4350板材,而成本大大降低。PAM2.0模塊的輸入端子為SMA接口。模塊套件包含了一根BNC轉(zhuǎn)SMA高性能屏蔽線(xiàn),便于與各種電流輸入源對(duì)接。模塊采用了雙金屬屏蔽罩降低各種噪聲和干擾。在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中,工程師對(duì)不同供應(yīng)商的10GΩ電阻進(jìn)行了全方位的評(píng)估測(cè)試,從中挑選出性能優(yōu)異的電阻確保模塊的性能。PAM2.0模塊簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì),使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530-1供電。在次級(jí)信號(hào)的放大選擇上,客戶(hù)既可以使用ADA4522-1與ADG1608的組合進(jìn)行硬件電路放大,亦可使用AD7124-4片內(nèi)PGA軟件程控放大,從而靈活的比較兩種方式的性能和成本。ADC選擇了最新的AD7124-4, 它具有24位19.2KSPS最高輸出數(shù)據(jù)率,并提供三種功耗模式(低/中/全性能),從而讓客戶(hù)在設(shè)計(jì)便攜式測(cè)量應(yīng)用時(shí)無(wú)需更改硬件。若客戶(hù)需要更高的采樣率ADC,亦可從TP2端與各種ADC評(píng)估板進(jìn)行對(duì)接。精心設(shè)計(jì)的LABVIEW GUI提供了模塊配置、實(shí)時(shí)波形顯示、直方圖和統(tǒng)計(jì)分析、測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel文件等功能。
圖 6 系統(tǒng)框圖
匠心設(shè)計(jì)的收獲是顯而易見(jiàn)的:使用Keithley 6220源表進(jìn)行測(cè)試,PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線(xiàn)測(cè)試中,線(xiàn)性度達(dá)到了0.9999x;在0-100pA的測(cè)試中,線(xiàn)性度達(dá)到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進(jìn)行出廠線(xiàn)性度評(píng)估并配發(fā)85點(diǎn)測(cè)試報(bào)告。
圖7 0-100pA 21點(diǎn)I-V線(xiàn)性度測(cè)試圖
這款超高精度皮安計(jì)模塊旨在從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā),提供給客戶(hù)快速設(shè)計(jì)原型,讓產(chǎn)品迅速推向市場(chǎng)。
據(jù)悉該模塊將會(huì)在11月16-18日,于上海新國(guó)際博覽中心的慕尼黑上海分析生化展上展出,并在世健網(wǎng)店(www.excelchips.cn) 出售。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,為新的科技與趨勢(shì)作出定位,并幫助客戶(hù)把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中。集團(tuán)分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心,專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,幫助客戶(hù)提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè)、無(wú)線(xiàn)通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
世健是新加坡的主板上市公司,總部設(shè)于新加坡,擁有約750名員工,業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū),遍及新加坡、馬來(lái)西亞、泰國(guó)、越南、中國(guó)、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家。世健集團(tuán)在2018年的年?duì)I業(yè)額超過(guò)12億5千萬(wàn)美元。世健于1993年開(kāi)始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù),中國(guó)區(qū)總部設(shè)于香港,并擁有11個(gè)分公司及辦事處、研發(fā)中心及物流中心,業(yè)務(wù)遍及中國(guó)多個(gè)城市和地區(qū)。
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