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穿越电流测量的无人区——pA等级电流测量

2020-07-01 世健 阅读:
如何精确测量出微弱电流,则成了一道避不开的难题。为穿过这片“无人区”,测量出pA等级的电流,我们必须踏入小数点后15位(fA等级)的世界。

从毫安到微安再到皮安,随着电子技术的发展,以及市场对于低功耗的需求,电子设备的电流水平有往小发展的趋势,比如手机电池待机电流(10−3 A)、光电二极管暗电流(10−12 A)、OLED的像素电流(10−12 A)等。而如何精确测量出微弱电流,则成了一道避不开的难题。为穿过这片“无人区”,测量出pA等级的电流,我们必须踏入小数点后15位(fA等级)的世界。然而,这片了无人烟的区域并不是那么好踏足,路上的荆棘羁绊是难免的,需克服重重挑战才能成功到达终点。eacednc

多重挑战

首先要考虑的便是测量中的偏置电流问题。当输入端开路时,理想电流计的读数应当为零。然而,实际的电流计在输入端开路时有一些小的电流。这些电流是由有源器件的偏置电流以及流过仪器内部的绝缘材料的泄漏电流所引起的。eacednc

试想一下,待测电流小到1pA,而构成电流计的器件之一—运算放大器的偏置电流却达到100pA,我们还能愉快地测出待测电流大小吗?当然不行,因为信号(待测电流)已被误差电流(偏置电流)掩盖,除非我们能将偏置电流控制在fA水平。eacednc

偏置电流满足了是不是就可以了?不,这只是万里长征中的第一步。接下来要考虑的问题还很多,包括很多设计上,工艺上的细节都会对测量结果造成很大的影响。比如噪声、电介质吸收、泄漏电流、绝缘、屏蔽、PCB材料,甚至电缆等。这些问题我们在设计中如何避免呢?eacednc

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图1:pA级电流测量所面临的挑战eacednc

应对方案

高灵敏度检测器需要精密信号链以支持极低的检测量程。虽然面临的挑战诸多,但我们有应对方案。技术型分销商Excelpoint世健公司的工程师 Kayden Wang介绍了ADI解决方案--超高灵敏度飞安测量平台,并且针对设计过程中面临的挑战进行了解答。eacednc

超高灵敏度飞安测量平台方案

此方案非常适合化学分析仪和实验室级仪器使用,其需要超高灵敏度模拟前端来对光电二极管、光电倍增管、法拉第筒等电流输出传感器进行信号调理。可以使用该解决方案的应用包括质谱分析、色谱分析和库仑分析等。eacednc

方案特点eacednc

  • <10fA灵敏度,10GΩ跨阻
  • 500pA测量范围
  • 屏蔽
  • 利用ADuM3151隔离
  • 飞安输入偏置电流运算放大器ADA4530-1
  • 24位分辨率ADC AD7172-2
  • 利用USB接口通过SDP连接PC
  • 简单的电源:9VDC输入, ADP7118、ADP2442、ADP7182
  • 测量同步
  • 触发输入/输出信号

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图2:超高灵敏度飞安测量平台方案框图eacednc

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图3:飞安测量系统功能框图eacednc

此方案中,其中一个重要的考量点便是低偏置电流运算放大器的选择。相对于常规运放,方案中使用的放大器ADA4530-1是一款fA (10−15 A)级输入偏置电流运算放大器,集成式保护环缓冲器用于隔离输入引脚以防受到印刷电路板(PCB) 漏电流的影响,而且能减少电路板元件数。相比于同类竞争器件,输入偏置电流低45倍,直流精度提高10倍。除了适用于此方案中的跨阻放大器,也可用于化学传感器和电容传感器的高阻抗缓冲器。eacednc

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图4:ADA4530-1主要优势eacednc

设计中的挑战

我们在设计中需考虑可能影响测量结果的多个因素,才能最大程度地发挥器件的优越性能,达到设计指标要求。eacednc

1)保护的设计

一般做法是用另一导体将高阻抗节点包围起来,并将导体驱动到保护电压(等于或接近高阻抗节点电位),这样就不会有电流流经绝缘电阻,并且更好的布局产生更好的性能,性能随时间和环境条件的变化越小。eacednc

保护环eacednc

  • 保护表面泄漏
  • 去除保护环/走线上的焊罩/丝网
  • 避免吸潮
  • 需要由与输入端等电位的放大器(如缓冲器)驱动

保护层eacednc

  • 保护PCB主体

过孔防护eacednc

  • 保护侧面漏电流路径

高源阻抗和低误差要求会对绝缘电阻提出不切实际的高要求。ADA4530-1的保护技术可将此类要求降低到合理水平。其原理是用另一种驱动到相同电位的导体(保护环)包围高阻抗导体。如果(高阻抗导体与保护环之间的)绝缘电阻上没有电压,那么就不会有任何电流流经其中。ADA4530-1内部使用保护技术,集成了超高性能的保护环缓冲器。此缓冲器的输出可供外部使用,以便简化电路级的保护实现。为了显示保护的实施方式,电压缓冲器电路(参见图6)经过修改。该模型中增加了一个导体(VGRD),它将高阻抗 (A) 节点与不同电压的低阻抗 (B) 节点完全隔开。绝缘电阻用两个电阻来模拟:A导体与保护导体之间的所有绝缘电阻 (RSHUNT1),以及保护导体与B导体之间的所有绝缘电阻(RSHUNT2)。然后,ADA4530-1保护环缓冲器将此保护导体(通过引脚2和引脚7)驱动到A端电压。若A节点和VGRD节点的电压完全相同,就不会有电流流经绝缘电阻RSHUNT1。eacednc

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图5:保护环及保护层的实现参考eacednc

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图6:保护实现原理示例eacednc

2)屏蔽的设计

  • 屏蔽有助于让杂散场远离敏感节点,可以采取屏蔽盒的方式
  • 操作员能接触到的屏蔽应接地以确保安全

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图7:常见屏蔽方式eacednc

3)污染源处理

污染源容易形成弱电池,将该污染电池连接在TIA电路的A端和B端,可得到一个简化模型(参见图8)。A端和B端均被驱动到相同电压,产生一个误差电流(IBAT T),因为输出电阻上存在一个等于电池开路电压的压降,如下式所示:IBATT = VBATT ÷ RBATT。此电池电流流过反馈电阻,在反馈电阻上与电路中的信号电流和其他误差电流合并对测量精度造成影响。一般要注意以下几种污染源的影响:eacednc

  • 焊剂残留
  • 尘土和其他颗粒状堆积
  • 灰尘
  • 体油
  • 含盐潮气

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图8:污染源对电路精度的影响eacednc

对此,世健工程师给出以下几点建议:eacednc

  • 装配后清洗/清洁PCB
  • 潮气会降低PCB和电缆的绝缘性
    • 选择合适的材料并在受控环境中测量
    • 清洗后烘烤以消除吸收的湿气
  • 不要使用免清洁型焊膏

4)电介质吸收

介电弛豫(也称为介电吸收或浸润)是所有绝缘材料都有的特性,它会限制需要建立到数fA水平的静电计电路性能。常用的PCB薄片是工业标准FR-4玻璃环氧树脂。测量结果如图9所示。玻璃环氧树脂薄片需要1小时才能将介电弛豫电流耗散到10 fA以下。这表明,玻璃环氧树脂薄片不适合用于高性能静电计电路。eacednc

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图9:玻璃环氧树脂介电弛豫性能eacednc

考虑的另一种PCB薄片是Rogers 4350B。Rogers 4350B是一种设计用于射频/微波电路的陶瓷薄片。Rogers 4350B兼容标准PCB生产技术,使用广泛。Rogers 4350B材料的测量结果如图10所示。该材料在不到20秒时间内,便可将介电弛豫电流耗散到1fA以下。eacednc

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图10:Rogers 4350B介电弛豫性能eacednc

鉴于其性能出色, Kayden建议,在最高性能应用中,将Rogers 4350B薄片配合ADA4530-1使用。ADA4530-1的所有关键特性测量都是利用Rogers 4350B进行。eacednc

同时根据世健的支持经验,建议PCB加工工艺:eacednc

  • 四层板,成品板厚约1.5mm
  • 板材:1/2层,3/4层为rogers 4350B, 厚度10mil;2/3层为FR408或Roger 4450(注意不是普通的FR-4板材)。
  • 铜箔厚度:内层1oz,外层1.5oz
  • 阻焊:双面,绿色
  • 字符:双面,白色
  • 过孔:双面露环
  • 表面沉金处理

5)电缆和连接器

  • 最佳:使用三同轴电缆
    • 有一根额外的内部导线来保护信号
  • 只要中心导线与屏蔽体之间的电位差非常小,BNC、SMA和同轴电缆是可行的
    • 某些RF材料(PTFE)具有良好的低漏电、低DA属性
  • 捆扎电缆以减少摩擦起电效应

总结

总体上,此类应用中pA级电流的测量相对其他量程电流测量,无论是从设计还是工艺上有很多需要考量的地方,参照此推荐方案和设计要点可以大大缩短研发周期,助力我们顺利穿过pA等级电流测量的无人区。eacednc

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