广告

穿越电流测量的无人区——pA等级电流测量

2020-07-01 13:35:28 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。yLTednc

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。yLTednc

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。yLTednc

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?yLTednc

yLTednc

图1:pA级电流测量所面临的挑战yLTednc

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。yLTednc

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。yLTednc

方案特点yLTednc

  • <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

yLTednc

图2:超高灵敏度飞安测量平台方案框图yLTednc

yLTednc

图3:飞安测量系统功能框图yLTednc

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。yLTednc

yLTednc

图4:ADA4530-1主要优势yLTednc

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。yLTednc

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。yLTednc

保护环yLTednc

  • 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yLTednc

  • 保护PCB主体

过孔防护yLTednc

  • 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。yLTednc

yLTednc

yLTednc

图5:保护环及保护层的实现参考yLTednc

yLTednc

图6:保护实现原理示例yLTednc

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

yLTednc

图7:常见屏蔽方式yLTednc

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:yLTednc

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

yLTednc

图8:污染源对电路精度的影响yLTednc

对此,世健工程师给出以下几点建议:yLTednc

  • 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。yLTednc

yLTednc

图9:玻璃环氧树脂介电弛豫性能yLTednc

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。yLTednc

yLTednc

图10:Rogers 4350B介电弛豫性能yLTednc

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。yLTednc

同时根据世健的支持经验,建议PCB加工工艺:yLTednc

  • 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。yLTednc

  • 真牛叉!很腻害!请问:您研制的“pA等级电流测量仪器”怎么标定(或“定标”)的呢?
    不标定怎么去使用???
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 波兰网友拆德国产电源插排,内部竟是中国制造?! 本文将会介绍LogiLink LPS262U电源插排(接线板)——包含三个USB端口和两个Schuko插座——的内部结构及其简短测试。
  • 理想ONE高速起火烧成光架,其1.2T三缸增程器曾被指隐藏 近期,网络平台上发布了一段理想ONE在行驶过程中,车辆出现起火的视频内容。现场拍摄的灭火后图片显示,该轿车过火后仅剩骨架,车辆前部增程器位置受损严重,车辆尾门已经在过火后从车身主体脱落。此前,曾有国内汽车媒体对一台行驶了10万公里的理想ONE的东安1.2T三缸增程发动机进行拆解,被指隐藏暗病。
  • 【领优秀论文集】Cadence 用户大会已开放注册
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • GaN是否可靠? GaN产业已经建立一套方法来保证GaN产品的可靠性,因此问题并不在于“GaN是否可靠?”,而是“如何验证GaN的可靠性?”
  • Cadence中国区线上用户大会-2022 会议将集聚Cadence的技术用户、开发者与业界专家,涵盖最完整的先进技术交流平台,从IP/SoC设计、验证仿真、系统分析及多物理场仿真、计算流体力学,到封装和板级设计的全流程的技术分享, 以及针对自动驾驶、人工智能、网络和5G/6G、云服务等创新应用的客户案例分享。您也将有机会和开发Cadence工具和IP的技术专家们进行对话。与此同时,还有丰富礼品等您来赢。 新的故事总会在盛夏开始序曲,新的灵感也极有可能于技术交流中迸发。
  • EA Elektro-Automatik代表与中国驻德大使共商中国市 EA Elektro-Automatik受邀参加主题为“变革中的贸易?不确定性时代的中德经济关系展望”的高层外贸战略论坛,为公司在中国市场实现重要增长进行规划并奠定基础。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 拆解一个中国产的“树莓派”开发笔记本,售价279美元值 “树莓派”在全球市越来越受欢迎,甚至有家长开始让孩子用树莓派学习开发产品。有中国厂商嗅到,率先开发出了基于“树莓派”笔记本——CrowPi L ,外观看和普通笔记本差不多, 但却是基于树莓派Raspberry Pi 4B 开发板的套件,专为 STEM 教育而设计,带有可选的电子模块和教程。EDN发现有外媒对其进行了拆解,接下来将这篇拆解文章分享给大家:
  • 波兰网友测试拆解中国产手电筒/手提灯,会不会发起客诉? 本文将对中国制造的COB LED HP1807带移动电源的手提灯/手电筒的内部(包括电池容量)进行简短的测试和分析。在本主题中,我还将展示其电路板上连接的详细草图,这实际上也构成了其原理图。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
  • 利用反极性MOSFET帮助555振荡器忽略电源和温度变化 恒定频率振荡器是555定时器的经典应用之一。然而,由于所用二极管的特性不理想,占空比的间隔会随着温度和V+电源的变化而变化。本设计实例给出了一种解决方法:利用反极性P沟道MOSFET引导电容的充电电流而不产生任何明显压降。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了