在模擬的世界里,微弱電流信號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品性能迭代以及各種新應用的層出不窮,對于微弱電流的測量范圍已經(jīng)從微安級(μA)提升到了皮安級(pA),提升了足足一百萬倍!
為了測量微弱的電流,通常工程師將運放進行跨阻方式連接,見圖1所示。
【圖1跨阻放大器】
理想運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Rf為10GΩ的電阻,就可以將1pA的電流信號變換成10mV的電壓信號了嗎?答案是否定的。工程師會面臨非常多的挑戰(zhàn):來自運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)性能的關鍵。1987年,一款JFET放大器AD549橫空出世,成為了精密電流測量應用三十年來經(jīng)久不衰的經(jīng)典產品。光譜儀,氣相色譜儀,靜電計應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人對技術的一種追求。2015年底,ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工藝實現(xiàn)了JFET的性能挑戰(zhàn)。其失調電壓最大50μV,偏置電流在?40°C 至+85°C范圍內均不超過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)設計的角度去滿足皮安級電流測量的性能要求?針對中國工程師的需求,世健上海技術團隊挑戰(zhàn)難關,在原有設計的皮安級電流計量評估套件的基礎上做了大幅度的改進,于2020年10月正式發(fā)布了可商業(yè)化的超高精度皮安計模塊 EPSH-PAM2.0 (以下簡稱PAM2.0模塊)。
世健技術支持部的高級副總裁戈一新表示道:“精心的模塊設計,嚴格的工藝制作,保證了PAM2.0模塊的性能與質量。50μV(相當于5fA)的RMS底噪,能滿足絕大部分微弱電流信號測量用戶的需求。”
【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。在設計和生產過程中,工程師對不同供應商的10GΩ電阻進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模塊簡化了電源設計,使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530-1供電。在次級信號的放大選擇上,客戶既可以使用ADA4522-1與ADG1608的組合進行硬件電路放大,亦可使用AD7124-4片內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),從而讓客戶在設計便攜式測量應用時無需更改硬件。若客戶需要更高的采樣率ADC,亦可從TP2端與各種ADC評估板進行對接。精心設計的LABVIEW GUI提供了模塊配置、實時波形顯示、直方圖和統(tǒng)計分析、測試數(shù)據(jù)導出成Excel文件等功能。
【圖6系統(tǒng)框圖】
匠心設計的收獲是顯而易見的:使用Keithley 6220源表進行測試,PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線測試中,線性度達到了0.9999x;在0-100pA的測試中,線性度達到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進行出廠線性度評估并配發(fā)85點測試報告。
【圖7 0-100pA 21點I-V線性度測試圖】
世健的超高精度皮安計模塊旨在從系統(tǒng)設計角度出發(fā),提供給客戶快速設計原型,讓產品迅速推向市場。
該模塊將會在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。目前該模塊已經(jīng)上線世健網(wǎng)店 ( www.excelchips.cn ),感興趣的朋友可以在線咨詢購買。
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4)本次活動最終解釋權為Excelpoint世健所有。
關于世健亞太區(qū)領先的元器件授權代理商
世健(Excelpoint)是完整解決方案的供應商,為亞洲電子廠商包括原設備生產商(OEM)、原設計生產商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質的元器件、工程設計及供應鏈管理服務。
世健是新加坡主板上市公司,擁有超過30年歷史。世健中國區(qū)總部設于香港,目前在中國擁有十多家分公司和辦事處,遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊、頂尖的現(xiàn)場應用支持以及豐富的市場經(jīng)驗,世健在中國業(yè)內享有領先地位。
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