多重挑戰

 

首shou先xian要yao考kao慮lv的de便bian是shi測ce量liang中zhong的de偏pian置zhi電dian流liu問wen題ti。當dang輸shu入ru端duan開kai路lu時shi，理li想xiang電dian流liu計ji的de讀du數shu應ying當dang為wei零ling。然ran而er，實shi際ji的de電dian流liu計ji在zai輸shu入ru端duan開kai路lu時shi有you一yi些xie小xiao的de電dian流liu。這zhe些xie電dian流liu是shi由you有you源yuan器qi件jian的de偏pian置zhi電dian流liu以yi及ji流liu過guo儀yi器qi內nei部bu的de絕jue緣yuan材cai料liao的de泄xie漏lou電dian流liu所suo引yin起qi的de。

 

試想一下
，待測電流小到1pA，而構成電流計的器件之一—運算放大器的偏置電流卻達到100pA，我們還能愉快地測出待測電流大小嗎？當然不行，因為信號（待測電流）已被誤差電流（偏置電流）掩蓋，除非我們能將偏置電流控製在fA水平。

 

偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)滿(man)足(zu)了(le)是(shi)不(bu)是(shi)就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)？不(bu)，這(zhe)隻(zhi)是(shi)萬(wan)裏(li)長(chang)征(zheng)中(zhong)的(de)第(di)一(yi)步(bu)。接(jie)下(xia)來(lai)要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)問(wen)題(ti)還(hai)很(hen)多(duo)

，包(bao)括(kuo)很(hen)多(duo)設(she)計(ji)上(shang)
，工(gong)藝(yi)上(shang)的(de)細(xi)節(jie)都(dou)會(hui)對(dui)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)造(zao)成(cheng)很(hen)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。比(bi)如(ru)噪(zao)聲(sheng)、電介質吸收
、泄漏電流、絕緣、屏蔽、PCB材料，甚至電纜等。這些問題我們在設計中如何避免呢
？

 

圖1：pA級電流測量所麵臨的挑戰

 

應對方案

 

高靈敏度檢測器需要精密信號鏈以支持極低的檢測量程。雖然麵臨的挑戰諸多，但我們有應對方案。技術型分銷商Excelpoint世健公司的工程師 Kayden Wang介紹了ADI解決方案--超高靈敏度飛安測量平台
，並且針對設計過程中麵臨的挑戰進行了解答。

 

超高靈敏度飛安測量平台方案

 

此方案非常適合化學分析儀和實驗室級儀器使用，其需要超高靈敏度模擬前端來對光電二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器進行信號調理。可以使用該解決方案的應用包括質譜分析
、色譜分析和庫侖分析等。

 

► 方案特點

 

•  <10fA靈敏度，10GΩ跨阻

 

•  500pA測量範圍

 

•  屏蔽

 

•  利用ADuM3151隔離

 

•  飛安輸入偏置電流運算放大器ADA4530-1

 

•  24位分辨率ADC AD7172-2

 

•  利用USB接口通過SDP連接PC

 

•  簡單的電源：9VDC輸入， ADP7118、ADP2442

、ADP7182

 

•  測量同步

 

•  觸發輸入/輸出信號

 

圖2：超高靈敏度飛安測量平台方案框圖

 

圖3：飛安測量係統功能框圖

 

此方案中
，其中一個重要的考量點便是低偏置電流運算放大器的選擇。相對於常規運放
，方案中使用的放大器ADA4530-1是一款fA (10−15 A)級輸入偏置電流運算放大器
，集成式保護環緩衝器用於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。相比於同類競爭器件
，輸入偏置電流低45倍，直流精度提高10倍。除了適用於此方案中的跨阻放大器，也可用於化學傳感器和電容傳感器的高阻抗緩衝器。

 

圖4：ADA4530-1主要優勢

 

設計中的挑戰

 

我們在設計中需考慮可能影響測量結果的多個因素，才能最大程度地發揮器件的優越性能

，達到設計指標要求。

 

1）保護的設計

 

一般做法是用另一導體將高阻抗節點包圍起來，並將導體驅動到保護電壓（等於或接近高阻抗節點電位），這樣就不會有電流流經絕緣電阻
，並且更好的布局產生更好的性能，性能隨時間和環境條件的變化越小。

 

► 保護環

 

保護表麵泄漏

 

去除保護環/走線上的焊罩/絲網

 

避免吸潮

 

需要由與輸入端等電位的放大器（如緩衝器）驅動

 

► 保護層

 

保護PCB主體

 

► 過孔防護

 

保護側麵漏電流路徑

 

高源阻抗和低誤差要求會對絕緣電阻提出不切實際的高要求。ADA4530-1的保護技術可將此類要求降低到合理水平。其原理是用另一種驅動到相同電位的導體（保護環）包圍高阻抗導體。如果（高阻抗導體與保護環之間的）絕緣電阻上沒有電壓，那麼就不會有任何電流流經其中。ADA4530-1內(nei)部(bu)使(shi)用(yong)保(bao)護(hu)技(ji)術(shu)，集(ji)成(cheng)了(le)超(chao)高(gao)性(xing)能(neng)的(de)保(bao)護(hu)環(huan)緩(huan)衝(chong)器(qi)。此(ci)緩(huan)衝(chong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)可(ke)供(gong)外(wai)部(bu)使(shi)用(yong)，以(yi)便(bian)簡(jian)化(hua)電(dian)路(lu)級(ji)的(de)保(bao)護(hu)實(shi)現(xian)。為(wei)了(le)顯(xian)示(shi)保(bao)護(hu)的(de)實(shi)施(shi)方(fang)式(shi)，電(dian)壓(ya)緩(huan)衝(chong)器(qi)電(dian)路(lu)（參見圖6）經過修改。該模型中增加了一個導體(VGRD)
，它將高阻抗 (A) 節點與不同電壓的低阻抗 (B) 節點完全隔開。絕緣電阻用兩個電阻來模擬：A導體與保護導體之間的所有絕緣電阻 (RSHUNT1)
，以及保護導體與B導體之間的所有絕緣電阻(RSHUNT2)。然後
，ADA4530-1保護環緩衝器將此保護導體（通過引腳2和引腳7）驅動到A端電壓。若A節點和VGRD節點的電壓完全相同
，就不會有電流流經絕緣電阻RSHUNT1。

 

圖5：保護環及保護層的實現參考

 

圖6：保護實現原理示例

 

2）屏蔽的設計

 

• 屏蔽有助於讓雜散場遠離敏感節點
，可以采取屏蔽盒的方式

 

• 操作員能接觸到的屏蔽應接地以確保安全

 

圖7：常見屏蔽方式

 

3）汙染源處理

 

汙染源容易形成弱電池，將該汙染電池連接在TIA電路的A端和B端，可得到一個簡化模型（參見圖8）。A端和B端均被驅動到相同電壓，產生一個誤差電流(IBAT T)，因為輸出電阻上存在一個等於電池開路電壓的壓降
，如下式所示：IBATT = VBATT ÷ RBATT。此ci電dian池chi電dian流liu流liu過guo反fan饋kui電dian阻zu

，在zai反fan饋kui電dian阻zu上shang與yu電dian路lu中zhong的de信xin號hao電dian流liu和he其qi他ta誤wu差cha電dian流liu合he並bing對dui測ce量liang精jing度du造zao成cheng影ying響xiang。一yi般ban要yao注zhu意yi以yi下xia幾ji種zhong汙wu染ran源yuan的de影ying響xiang：

 

• 焊劑殘留

 

• 塵土和其他顆粒狀堆積

 

• 灰塵

 

• 體油

 

• 含鹽潮氣

 

圖8：汙染源對電路精度的影響

 

對此，世健工程師給出以下幾點建議：

 

• 裝配後清洗/清潔PCB

 

• 潮氣會降低PCB和電纜的絕緣性

 

 選擇合適的材料並在受控環境中測量

 

清洗後烘烤以消除吸收的濕氣

 

• 不要使用免清潔型焊膏

 

4）電介質吸收

 

介電弛豫（也稱為介電吸收或浸潤）是所有絕緣材料都有的特性，它會限製需要建立到數fA水平的靜電計電路性能。常用的PCB薄片是工業標準FR-4玻璃環氧樹脂。測量結果如圖9所示。玻璃環氧樹脂薄片需要1小時才能將介電弛豫電流耗散到10 fA以下。這表明
，玻璃環氧樹脂薄片不適合用於高性能靜電計電路。

 

圖9：玻璃環氧樹脂介電弛豫性能

 

考慮的另一種PCB薄片是Rogers 4350B。Rogers 4350B是一種設計用於射頻/微波電路的陶瓷薄片。Rogers 4350B兼容標準PCB生產技術，使用廣泛。Rogers 4350B材料的測量結果如圖10所示。該材料在不到20秒時間內，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

 

鑒於其性能出色
， Kayden建議，在最高性能應用中
，將Rogers 4350B薄片配合ADA4530-1使用。ADA4530-1的所有關鍵特性測量都是利用Rogers 4350B進行。

 

同時根據世健的支持經驗，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：內層1oz，外層1.5oz

 

•  阻焊：雙麵
，綠色

 

•  字符：雙麵
，白色

 

• 過孔：雙麵露環

 

• 表麵沉金處理

 

5）電纜和連接器

 

• 最佳：使用三同軸電纜

 

有一根額外的內部導線來保護信號

 

• 隻要中心導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

 

• 捆紮電纜以減少摩擦起電效應

 

總結

 

總體上
，此類應用中pAjidianliudeceliangxiangduiqitaliangchengdianliuceliang，wulunshicongshejihaishigongyishangyouhenduoxuyaokaoliangdedifang，canzhaocituijianfanganheshejiyaodiankeyidadasuoduanyanfazhouqi
，zhuliwomenshunlichuanguopA等級電流測量的無人區。

 

 

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