【導(dǎo)讀】對(duì)于所有與“電”相關(guān)的設(shè)備而言，電流是永遠(yuǎn)離不開的一個(gè)參數(shù)。電流的計(jì)量單位是A（安倍），它定義為1秒內(nèi)通過橫截面的電荷量為1庫侖（6.241×10^18個(gè)電子的電荷量）時(shí)，電流大小為1A。在常見的生活電器中，電流常以A、mA（10-3）、μA（10-6）計(jì)，使用電筆或者萬用表就能輕松測(cè)量對(duì)應(yīng)參數(shù)并進(jìn)行調(diào)試。
然而，但隨著科技的進(jìn)步，設(shè)備越來越精密化，對(duì)于超微弱電流的測(cè)量的需求也不斷涌現(xiàn)，nA（10-9）、fA（10-15）級(jí)別的電流也變得常見起來，例如光電效應(yīng)的測(cè)試——光照在光電發(fā)射材料上會(huì)打出電子，如何對(duì)這些電子進(jìn)行觀察？這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出手邊儀表能測(cè)量范疇的弱信號(hào)，對(duì)于精于信號(hào)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(shí)現(xiàn)超高靈敏度測(cè)量系統(tǒng)。
測(cè)量微弱電流，運(yùn)算放大器是關(guān)鍵
在前面提到的光電效應(yīng)觀測(cè)中，所產(chǎn)生電子以個(gè)數(shù)計(jì)，面對(duì)如此微弱的電流，常規(guī)的測(cè)量方案就無能為力了。在一般的微弱電流檢測(cè)儀中，通常會(huì)采用一個(gè)I-V電路對(duì)輸入的微弱電流信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換放大，從而獲得待測(cè)微弱電流的信號(hào)大小。在此電路中，最為核心的器件就是用于調(diào)理信號(hào)的運(yùn)算放大器，它的精度決定了測(cè)試儀的靈敏度。而要滿足此時(shí)的超低電流測(cè)量要求，就需要選取一個(gè)高輸入阻抗、極低輸入偏置電流的運(yùn)算放大器作為前置放大器。這樣可以防止運(yùn)算放大器的輸入偏置電流信號(hào)對(duì)輸入的微弱電流信號(hào)造成分流，影響電路檢測(cè)的精度。
點(diǎn)擊觀看——ADA4530-1靜電計(jì)運(yùn)算放大器：測(cè)量fA電流
ADI推出的靜電計(jì)運(yùn)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(gè)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(shí)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(jì)尺寸。ADA4530-1運(yùn)算放大器的成功之處在于其偏置電流極低，為競(jìng)爭(zhēng)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(duì)輸出負(fù)載敏感的傳感器（如光電二極管）以及精度監(jiān)測(cè)/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(jì)、色譜儀、質(zhì)譜儀，以及恒電位和恒電流庫倫分析測(cè)量設(shè)備。這款放大器還可用作皮安計(jì)和庫侖計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的前端放大器，光電二極管、電離室和工作電極測(cè)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(shí)，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(cè)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(cè)量IB，需要加熱DUT以增大輸入偏置電流，使其達(dá)到可測(cè)量的值。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格，溫度為125℃時(shí)可測(cè)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(yùn)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(shí)，ADA4530-1的輸入偏置電流為250 fA，在85℃時(shí)降至20 fA，如此低的偏置電流在超低電流測(cè)試中具有極大的性能優(yōu)勢(shì)。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(yùn)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(cè)試偏置電流會(huì)妨礙系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員充分發(fā)揮傳感器的靈敏性，因?yàn)樗麄冃枰獮槠秒娏鞯妮^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(dòng)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(jiǎn)化了傳感器接口設(shè)計(jì)，客戶無需再為所需輸出驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)單獨(dú)的電路，這樣可以減少設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)態(tài)范圍最大化，ADA4530-1具有一個(gè)軌至軌輸出級(jí)，通?？稍?0kΩ負(fù)載下驅(qū)動(dòng)至電源軌的30 mV以內(nèi)。
基于ADA4530-1的超低電流測(cè)試電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
超低電流測(cè)量常用到靜電計(jì)，又叫電勢(shì)差計(jì)或指針驗(yàn)電器，在中學(xué)靜電實(shí)驗(yàn)中常用的半定量測(cè)量?jī)x器也是此類產(chǎn)品，靜電計(jì)可以用來檢驗(yàn)物體所帶電荷的種類并且測(cè)量電量。靜電計(jì)可以具有電壓表、電流表、歐姆表、庫侖計(jì)功能，要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的靜電計(jì)電路這類高靈敏度檢測(cè)器需要精密信號(hào)鏈以支持極低的檢測(cè)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(cè)量。
設(shè)計(jì)超高靈敏度飛安計(jì)電路無疑是極具挑戰(zhàn)的任務(wù)。測(cè)量信號(hào)時(shí)，測(cè)量電平必須高于噪聲，低電平測(cè)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(cè)試限值內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)電流精確測(cè)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(cè)量平臺(tái)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(shí)現(xiàn)<10fA靈敏度，10GW跨阻和500pA測(cè)量范圍。該模塊采用飛安輸入偏置運(yùn)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(shí)現(xiàn)隔離。
超高靈敏度飛安計(jì)模塊電路原理圖和實(shí)物圖
事實(shí)上，完整的設(shè)計(jì)過程復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性。總體而言，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度電流測(cè)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(jì)低電流測(cè)量硬件需要考慮一些獨(dú)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(huì)帶來相當(dāng)大的測(cè)量誤差，運(yùn)用最佳的保護(hù)、屏蔽、清潔/搬運(yùn)方法，使用適當(dāng)?shù)陌?焊接材料和布線來降低誤差。
設(shè)計(jì)低電流測(cè)量硬件需要關(guān)注很多細(xì)節(jié)。
總結(jié)
在操作測(cè)量逐漸精密化的現(xiàn)在，ADI推出的運(yùn)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(jí)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(cè)器、光譜議等，可以確保完成高靈敏度、低誤差的超低電流測(cè)量。
ADA4503-1
● 低輸入偏置電流
○ 最大值：±20 fA（TA = 25°C，在產(chǎn)品測(cè)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(cè)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℃
推薦閱讀：
