52
电子元器件的发展史不过短短几十年的时间，最近笔者却发现了一款 30 年经久不衰的模拟器件，它就是来自 ADI 公司的单芯片静电计运算放大器 AD549，据说发明这款器件的工程师是个天才，当年就可以把输入偏置电流做到 60 fA。这么讲或许用户根本没什么概念，可以把 fA 和 A 的数量级作个对比，1fA=10-15 A，一般手机的待机功耗只有是 7.5 毫安（7.5X10-3A），经过对比一下子就清楚 fA 有多小了吧。
这个器件可以用于化学分析、环境监控、过程控制等极小电流检测的应用。关于这款器件的工作过程很多用户都想了解，来自 ADI 公司线性产品部应用工程师郭剑做了详细解释，他以气相色谱应用为例。在气相色谱设备中，要测量电流首先需要传感器，我们可以在检测器里放上氢气，然后点燃，氢气燃烧后就会将待测物离子化，从而会形成电流。如果用户检测的是含碳化合物，含碳化合物含碳越多，被离子化的电流就会越大，因此通过电流大小就可以判断含碳化合物中碳含量的多少，这个输出的电流会被后面的放大器放大。从火焰检测器中出来的电流一般是皮安级别甚至飞安级别，电流噪声大概是在 50fA 的水平，因此需要一款 fA 级的放大器来进信号处理。
偏置电流缩小三倍
随着科技的进步，在不同应用中要检测的电流越来越小，因此我们用来检测电流的器件，即放大器，也要跟上应用的需求。经过多年的研发，ADI 终于推出了 AD549 的升级产品 ADA4530-1。郭剑介绍，“ADA4530-1 和 AD549 最明显的区别就是从直插式封装升级为贴片式封装，体积缩小，适应仪器设备小体积的需求。另外一个关键指标就是偏置电流，ADA4530-1 运算放大器在 125℃时的输入偏压电流是 250 fA，是竞争产品的二十分之一；在 85℃时降至 20 fA，为竞争产品的五十分之一。此外，ADA4530-1 是唯一一款运算放大器可在室温至 85℃范围内保持最大 20 fA 的输入偏置电流；也是同级产品中唯一一款在室温至 125℃范围内偏压电流通过完整生产测试的放大器。”
内建保护缓冲器，有了 ESD 等级也实现偏置电流更小
所有放大器芯片的内部，在输入和输出上对电源都会加两个二极管，目的是防止 ESD 事件发生，比如说高压过来时，芯片内部的 ESD 二极管就把高压导到电源上，这样就不会损坏放大器的内核，但是 AD549 没有设置 ESD，因为一旦内部加上 ESD 二极管之后，会产生一个反向的漏电流，这个漏电流会降低整个芯片的偏置电流指标，无法保证达到 60fA，因此 AD549 的 ESD 的等级比较低，只有 1000 伏，这给很多客户在设计中造成困扰。
ADA4530-1 内部框图
为了解决这个问题，ADA4530-1 采用了 CMOS 工艺。郭剑指出，“如上图所示，左边方框中有 6 个二极管，这些二极管一部分功能是实现 ESD 的保护功能，ESD 等级可以达到 4000 伏。而且内部设计了一个缓冲器，它会强制流过 D1、D2、D3、D4 的电压是零，因为二极管两边的电压一样就没有电流流过这个二极管，我们通过这样一种特殊且创新的设计，使得之前因为引入 ESD 二极管导致的漏电流的问题得以规避。因此 ADA4530-1 既有 4000 伏 ESD 的等级，同时偏置电流还很小。”
“内建保护缓冲器可以追踪输入共模电压并提供输出，用以驱动 PCB 保护环或互连屏蔽体，目的是减少传感器与放大器之间敏感连接器中杂散电容的效应，从而简化传感器接口设计。当然，如果芯片本身不设计保护缓冲器，用户为了达到设计参数也可以在电路中添加，只是 ADI 的芯片做好后，客户无需再为所需输出驱动器设计单独的电路，因此可缩短设计时间、降低成本和缩小 PCB 空间。”郭剑补充。
生产工艺对芯片技术参数的影响
电子元器件的精度和生产工艺有着密切的关系，因此我们看到在代工领域，制造厂商争相花大价钱进行生产线更新，从而实现更低的功耗，更高的产品性能。在放大器生产中，会用到三种工艺：Bipolar、J-FET 和 CMOS。如今 ADI 在市面上在售的放大器产品大约有 700 个型号，基本都是采用这三种工艺进行生产的。Bipolar 的优势是噪声低，J-FET 和 CMOS 的优势是偏置电流低，因此要实现低的偏置电流会选择 J-FET 工艺或者 CMOS 工艺。
模块化的评估套件方便客户进行系统设计
fA 级信号本身非常弱，所以对客户的设计能力有着较高的要求，包括 PCB Layout 能力，PCB 材质的选择，采用的生产工艺，都会影响信号的放大和提取。除此之外，外部环境也对这个信号带来干扰，如噪声、灰尘、温度、湿度的变化，客户面临的挑战进一步加重。因此，客户急需一套模块化、方便灵活的评估套件帮助其设计系统级产品。
ADI 代理商世健公司关注化学分析和环境仪器领域，以服务客户为已任，通过研究产品，市场方向和科技趋势提供正式解决方案，并且提供从元器件到技术支持的服务，以及供应链管理等一系列增值的服务。针对 ADI 的 ADA4530-1，世健公司开发了皮安级电流计量评估套件，包括电流输入转换板、电压输入转换板、引脚转换板和数据采集板，可以用于光度计、气相色谱仪、火焰离子化探测器和实验级 pH 计。
世健国际贸易（上海）有限公司技术支持部高级经理熊祥介绍，“电流输入转换板关键元件采用插拔式设计，客户可以根据实际需要安装 1M-1Gohm 反馈电阻和不同型号的光电传感器；电压输入转换板对应电压输入时需要运放非常高的输入阻抗，可用于自动滴定仪和高阻抗电压型传感器中；数据采集板采用超低噪声的供电电路，同时采用 USB 供电和数据传输；引脚转换板采用 ADA4530-1，板上的管脚却是按照 AD549 的管脚做了兼容化设计。板上集成电源转换芯片，将 AD549 使用的+/-15V 电源转换成 ADA4530-1 支持的+/-5V。客户使用 AD549 时会对负输入管脚做悬空式连接，在引脚转换板上这一设计也得到了继承。这块贴心的引脚转换板使得客户可以直接在原先使用 AD549 的产品上直接评估 ADA4530-1 的效果。另外，世健还设计了专业的分析软件，可以观察探测器所测量的数据谱图及直方图，计算统计数据的最大值、最小值、平均值和标准方差等，并且可以另存为 Excel 文档进行分析。”
与非网原创报道，未经允许，不得转载！
更多相关内容，请参照：与非网 ADI 专区。
下载ECAD模型
