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作者 熊祥 在模擬的世界里，微弱電流信號(hào)的測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)于微弱電流的測量范圍已經(jīng)從微安級(jí)（uA）提升到了皮安級(jí)（pA）, 提升了足足一百萬倍！ 為了測量微弱的電流，通常我們將運(yùn)放進(jìn)行跨阻方式連接，見圖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 。 所以我們只需要選擇一個(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 – 我們會(huì)遇到非常多的挑戰(zhàn)：來自運(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，輸入端與線路噪聲，電磁干擾等等，這些都是擺在精密測量方面的難題。 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。20年前，一款JFET放大器AD549橫空出世，成為了精密電流測量應(yīng)用的一代經(jīng)典。光譜儀，氣相色譜儀，靜電計(jì)應(yīng)用中處處可見其身影。其低至100-250fA的輸入偏置電流（圖2）以及優(yōu)異的溫漂曲線以今天的眼光來看，都是幾無對(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20fA – 比AD549J性能足足提升了幾百倍!
圖 3 摘自ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊(cè)
圖 4 ADA4530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，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度去滿足皮安級(jí)電流測量的性能要求？針對(duì)中國工程師的需求，世健上海技術(shù)團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)難關(guān)，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 （以下簡稱PAM2.0模塊）。 “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，能滿足絕大部分微弱電流信號(hào)測量用戶的需求。” – 世健高級(jí)技術(shù)副總裁戈一新表示到。
圖4 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，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模塊簡化了電源設(shè)計(jì)，使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530供電。在次級(jí)信號(hào)的放大選擇上，客戶既可以使用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），從而讓客戶在設(shè)計(jì)便攜式測量應(yīng)用時(shí)無需更改硬件。若客戶需要更高的采樣率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、測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel文件等功能。
圖 5 系統(tǒng)框圖 匠心設(shè)計(jì)的收獲是顯而易見的：使用Keithley 6220源表進(jìn)行測試，PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線測試中，線性度達(dá)到了0.9999x；在0-100pA的測試中，線性度達(dá)到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進(jìn)行出廠線性度評(píng)估并配發(fā)85點(diǎn)測試報(bào)告。
圖6 0-100pA 21點(diǎn)I-V線性度測試圖 世健的超高精度皮安計(jì)模塊旨在從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提供給客戶快速設(shè)計(jì)原型，讓產(chǎn)品迅速推向市場。目前該模塊已經(jīng)上線世健在線商城-世芯商城（www.excelchips.cn），感興趣的朋友可以在線咨詢購買。 |
