【導(dǎo)讀】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，對于微弱電流的測量范圍已經(jīng)從微安級(jí)（μA）提升到了皮安級(jí)（pA），提升了足足一百萬倍。
為了測量微弱的電流，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。1987年，一款JFET放大器AD549橫空出世，成為了精密電流測量應(yīng)用三十年來經(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，都是幾無對手。
圖2 摘自AD549數(shù)據(jù)手冊
以超越致敬經(jīng)典，這成為了ADI人對技術(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 —— 高溫性能比AD549提升了幾百倍。
圖 3 摘自ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊
圖4 ADA4530-1與AD549對比表
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？針對中國工程師的需求，與ADI合作三十多年的技術(shù)分銷商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）。
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，能滿足絕大部分微弱電流信號(hào)測量用戶的需求。”
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，工程師對不同供應(yīng)商的10GΩ電阻進(jìn)行了全方位的評估測試，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ADA4530-1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AD7124-4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評估板進(jìn)行對接。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 6 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)行出廠線性度評估并配發(fā)85點(diǎn)測試報(bào)告。
圖7 0-100pA 21點(diǎn)I-V線性度測試圖
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)，提供給客戶快速設(shè)計(jì)原型，讓產(chǎn)品迅速推向市場。
據(jù)悉該模塊將會(huì)在11月16-18日，于上海新國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，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進(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、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(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)、無線通信及消費(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、馬來西亞、泰國、越南、中國、印度、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國家。世健集團(tuán)在2018年的年?duì)I業(yè)額超過12億5千萬美元。世健于1993年開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)，中國區(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)遍及中國多個(gè)城市和地區(qū)。
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