多重挑戰(zhàn)

 

首先要考慮的便是測(cè)量中的偏置電流問(wèn)題。當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，理想電流計(jì)的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為零。然而，實(shí)際的電流計(jì)在輸入端開(kāi)路時(shí)有一些小的電流。這些電流是由有源器件的偏置電流以及流過(guò)儀器內(nèi)部的絕緣材料的泄漏電流所引起的。

 

試想一下，待測(cè)電流小到1pA，而構(gòu)成電流計(jì)的器件之一—運(yùn)算放大器的偏置電流卻達(dá)到100pA，我們還能愉快地測(cè)出待測(cè)電流大小嗎？當(dāng)然不行，因?yàn)樾盘?hào)（待測(cè)電流）已被誤差電流（偏置電流）掩蓋，除非我們能將偏置電流控制在fA水平。

 

偏置電流滿足了是不是就可以了？不，這只是萬(wàn)里長(zhǎng)征中的第一步。接下來(lái)要考慮的問(wèn)題還很多，包括很多設(shè)計(jì)上，工藝上的細(xì)節(jié)都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。比如噪聲、電介質(zhì)吸收、泄漏電流、絕緣、屏蔽、PCB材料，甚至電纜等。這些問(wèn)題我們?cè)谠O(shè)計(jì)中如何避免呢？

 

圖1：pA級(jí)電流測(cè)量所面臨的挑戰(zhàn)

 

應(yīng)對(duì)方案

 

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)量程。雖然面臨的挑戰(zhàn)諸多，但我們有應(yīng)對(duì)方案。技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司的工程師 Kayden Wang介紹了ADI解決方案--超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)，并且針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了解答。

 

超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)方案

 

此方案非常適合化學(xué)分析儀和實(shí)驗(yàn)室級(jí)儀器使用，其需要超高靈敏度模擬前端來(lái)對(duì)光電二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理?？梢允褂迷摻鉀Q方案的應(yīng)用包括質(zhì)譜分析、色譜分析和庫(kù)侖分析等。

 

? 方案特點(diǎn)

 

•  <10fA靈敏度，10GΩ跨阻

 

•  500pA測(cè)量范圍

 

•  屏蔽

 

•  利用ADuM3151隔離

 

•  飛安輸入偏置電流運(yùn)算放大器ADA4530-1

 

•  24位分辨率ADC AD7172-2

 

•  利用USB接口通過(guò)SDP連接PC

 

•  簡(jiǎn)單的電源：9VDC輸入， ADP7118、ADP2442、ADP7182

 

•  測(cè)量同步

 

•  觸發(fā)輸入/輸出信號(hào)

 

圖2：超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)方案框圖

 

圖3：飛安測(cè)量系統(tǒng)功能框圖

 

此方案中，其中一個(gè)重要的考量點(diǎn)便是低偏置電流運(yùn)算放大器的選擇。相對(duì)于常規(guī)運(yùn)放，方案中使用的放大器ADA4530-1是一款fA (10−15 A)級(jí)輸入偏置電流運(yùn)算放大器，集成式保護(hù)環(huán)緩沖器用于隔離輸入引腳以防受到印刷電路板(PCB) 漏電流的影響，而且能減少電路板元件數(shù)。相比于同類競(jìng)爭(zhēng)器件，輸入偏置電流低45倍，直流精度提高10倍。除了適用于此方案中的跨阻放大器，也可用于化學(xué)傳感器和電容傳感器的高阻抗緩沖器。

 

圖4：ADA4530-1主要優(yōu)勢(shì)

 

設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)

 

我們?cè)谠O(shè)計(jì)中需考慮可能影響測(cè)量結(jié)果的多個(gè)因素，才能最大程度地發(fā)揮器件的優(yōu)越性能，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

 

1）保護(hù)的設(shè)計(jì)

 

一般做法是用另一導(dǎo)體將高阻抗節(jié)點(diǎn)包圍起來(lái)，并將導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)到保護(hù)電壓（等于或接近高阻抗節(jié)點(diǎn)電位），這樣就不會(huì)有電流流經(jīng)絕緣電阻，并且更好的布局產(chǎn)生更好的性能，性能隨時(shí)間和環(huán)境條件的變化越小。

 

? 保護(hù)環(huán)

 

保護(hù)表面泄漏

 

去除保護(hù)環(huán)/走線上的焊罩/絲網(wǎng)

 

避免吸潮

 

需要由與輸入端等電位的放大器（如緩沖器）驅(qū)動(dòng)

 

? 保護(hù)層

 

保護(hù)PCB主體

 

? 過(guò)孔防護(hù)

 

保護(hù)側(cè)面漏電流路徑

 

高源阻抗和低誤差要求會(huì)對(duì)絕緣電阻提出不切實(shí)際的高要求。ADA4530-1的保護(hù)技術(shù)可將此類要求降低到合理水平。其原理是用另一種驅(qū)動(dòng)到相同電位的導(dǎo)體（保護(hù)環(huán)）包圍高阻抗導(dǎo)體。如果（高阻抗導(dǎo)體與保護(hù)環(huán)之間的）絕緣電阻上沒(méi)有電壓，那么就不會(huì)有任何電流流經(jīng)其中。ADA4530-1內(nèi)部使用保護(hù)技術(shù)，集成了超高性能的保護(hù)環(huán)緩沖器。此緩沖器的輸出可供外部使用，以便簡(jiǎn)化電路級(jí)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)。為了顯示保護(hù)的實(shí)施方式，電壓緩沖器電路（參見(jiàn)圖6）經(jīng)過(guò)修改。該模型中增加了一個(gè)導(dǎo)體(VGRD)，它將高阻抗 (A) 節(jié)點(diǎn)與不同電壓的低阻抗 (B) 節(jié)點(diǎn)完全隔開(kāi)。絕緣電阻用兩個(gè)電阻來(lái)模擬：A導(dǎo)體與保護(hù)導(dǎo)體之間的所有絕緣電阻 (RSHUNT1)，以及保護(hù)導(dǎo)體與B導(dǎo)體之間的所有絕緣電阻(RSHUNT2)。然后，ADA4530-1保護(hù)環(huán)緩沖器將此保護(hù)導(dǎo)體（通過(guò)引腳2和引腳7）驅(qū)動(dòng)到A端電壓。若A節(jié)點(diǎn)和VGRD節(jié)點(diǎn)的電壓完全相同，就不會(huì)有電流流經(jīng)絕緣電阻RSHUNT1。

 

圖5：保護(hù)環(huán)及保護(hù)層的實(shí)現(xiàn)參考

 

圖6：保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理示例

 

2）屏蔽的設(shè)計(jì)

 

• 屏蔽有助于讓雜散場(chǎng)遠(yuǎn)離敏感節(jié)點(diǎn)，可以采取屏蔽盒的方式

 

• 操作員能接觸到的屏蔽應(yīng)接地以確保安全

 

圖7：常見(jiàn)屏蔽方式

 

3）污染源處理

 

污染源容易形成弱電池，將該污染電池連接在TIA電路的A端和B端，可得到一個(gè)簡(jiǎn)化模型（參見(jiàn)圖8）。A端和B端均被驅(qū)動(dòng)到相同電壓，產(chǎn)生一個(gè)誤差電流(IBAT T)，因?yàn)檩敵鲭娮枭洗嬖谝粋€(gè)等于電池開(kāi)路電壓的壓降，如下式所示：IBATT = VBATT ÷ RBATT。此電池電流流過(guò)反饋電阻，在反饋電阻上與電路中的信號(hào)電流和其他誤差電流合并對(duì)測(cè)量精度造成影響。一般要注意以下幾種污染源的影響：

 

• 焊劑殘留

 

• 塵土和其他顆粒狀堆積

 

• 灰塵

 

• 體油

 

• 含鹽潮氣

 

圖8：污染源對(duì)電路精度的影響

 

對(duì)此，世健工程師給出以下幾點(diǎn)建議：

 

• 裝配后清洗/清潔PCB

 

• 潮氣會(huì)降低PCB和電纜的絕緣性

 

 選擇合適的材料并在受控環(huán)境中測(cè)量

 

清洗后烘烤以消除吸收的濕氣

 

• 不要使用免清潔型焊膏

 

4）電介質(zhì)吸收

 

介電弛豫（也稱為介電吸收或浸潤(rùn)）是所有絕緣材料都有的特性，它會(huì)限制需要建立到數(shù)fA水平的靜電計(jì)電路性能。常用的PCB薄片是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FR-4玻璃環(huán)氧樹(shù)脂。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。玻璃環(huán)氧樹(shù)脂薄片需要1小時(shí)才能將介電弛豫電流耗散到10 fA以下。這表明，玻璃環(huán)氧樹(shù)脂薄片不適合用于高性能靜電計(jì)電路。

 

圖9：玻璃環(huán)氧樹(shù)脂介電弛豫性能

 

考慮的另一種PCB薄片是Rogers 4350B。Rogers 4350B是一種設(shè)計(jì)用于射頻/微波電路的陶瓷薄片。Rogers 4350B兼容標(biāo)準(zhǔn)PCB生產(chǎn)技術(shù)，使用廣泛。Rogers 4350B材料的測(cè)量結(jié)果如圖10所示。該材料在不到20秒時(shí)間內(nèi)，便可將介電弛豫電流耗散到1fA以下。

 

圖10：Rogers 4350B介電弛豫性能

 

鑒于其性能出色， Kayden建議，在最高性能應(yīng)用中，將Rogers 4350B薄片配合ADA4530-1使用。ADA4530-1的所有關(guān)鍵特性測(cè)量都是利用Rogers 4350B進(jìn)行。

 

同時(shí)根據(jù)世健的支持經(jīng)驗(yàn)，建議PCB加工工藝：

 

• 四層板，成品板厚約1.5mm

 

• 板材：1/2層，3/4層為rogers 4350B, 厚度10mil；2/3層為FR408或Roger 4450（注意不是普通的FR-4板材）。

 

• 銅箔厚度：內(nèi)層1oz，外層1.5oz

 

•  阻焊：雙面，綠色

 

•  字符：雙面，白色

 

• 過(guò)孔：雙面露環(huán)

 

• 表面沉金處理

 

5）電纜和連接器

 

• 最佳：使用三同軸電纜

 

有一根額外的內(nèi)部導(dǎo)線來(lái)保護(hù)信號(hào)

 

• 只要中心導(dǎo)線與屏蔽體之間的電位差非常小，BNC、SMA和同軸電纜是可行的

 

某些RF材料(PTFE)具有良好的低漏電、低DA屬性

 

• 捆扎電纜以減少摩擦起電效應(yīng)

 

總結(jié)

 

總體上，此類應(yīng)用中pA級(jí)電流的測(cè)量相對(duì)其他量程電流測(cè)量，無(wú)論是從設(shè)計(jì)還是工藝上有很多需要考量的地方，參照此推薦方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以大大縮短研發(fā)周期，助力我們順利穿過(guò)pA等級(jí)電流測(cè)量的無(wú)人區(qū)。

 

 

推薦閱讀：