在模拟的世界里,微弱电流信号的测量通常是工程师需要面对的棘手挑战。随着各种仪器仪表的产品性能迭代以及各种新应用的层出不穷,对于微弱电流的测量范围已经从微安级(μA)提升到了皮安级(pA),提升了足足一百万倍。

 

为了测量微弱的电流,通常工程师将运放进行跨阻方式连接,见图 1 所示。

 

图 1 跨阻放大器

 

理想运算放大器的反相输入端处于虚地,输入端所有电流流经反馈电阻 R f ,因此输出电压 Vout = R f × I d 。

 

所以工程师只需要选择一个 Rf 为 10GΩ的电阻,就可以将 1pA 的电流信号变换成 10mV 的电压信号了吗?答案是否定的。工程师会面临非常多的挑战:来自运放自身的偏置电流误差,环境温度与湿度的变化,PCB 板的泄漏电流,输入端与线路噪声,电磁干扰等等,这些都是摆在精密测量方面的难题。

 

选择一款超低偏置电流的放大器成为了工程师挑战系统性能的关键。1987 年,一款 JFET 放大器 AD549 横空出世,成为了精密电流测量应用三十年来经久不衰的经典产品。光谱仪,气相色谱仪,静电计应用中处处可见其身影。其低至 100-250fA 的输入偏置电流(图 2)以及优异的温漂曲线以今天的眼光来看,都是几无对手。

 

图 2 摘自 AD549 数据手册

 

以超越致敬经典,这成为了 ADI 人对技术的一种追求。2015 年底,ADA4530-1 正式亮相。以 CMOS 的工艺实现了 JFET 的性能挑战。其失调电压最大 50μV,偏置电流在−40°C 至+85C 范围内均不超过 20fA ——  高温性能比 AD549 提升了几百倍。 

 

图 3  摘自 ADA4530-1 数据手册

 

图 4 ADA4530-1 与 AD549 对比表

 

有了优异的器件,如何将其性能发挥出来,从系统设计的角度去满足皮安级电流测量的性能要求?针对中国工程师的需求,与 ADI 合作三十多年的技术分销商 Excelpoint 世健挑战难关,它的上海技术团队在原有设计的皮安级电流计量评估套件的基础上做了大幅度的改进,于 2020 年 10 月正式发布了可商业化的超高精度皮安计模块 EPSH-PAM2.0 (以下简称 PAM2.0 模块)。

 

世健技术支持部的高级副总裁戈一新向我们介绍道:“精心的模块设计,严格的工艺制作,保证了 PAM2.0 模块的性能与质量。50µV(相当于 5fA)的 RMS 底噪,能满足绝大部分微弱电流信号测量用户的需求。”

 

图 5 外观与软件界面

 

PAM2.0 模块采用 4 层板布局及 FR-4 PCB 板材。工程师巧妙的采用了 AD549 国内经典的反相端悬空柱接方式,使得 FR-4 板材的效果依旧可以媲美 ROGERS4350 板材,而成本大大降低。PAM2.0 模块的输入端子为 SMA 接口。模块套件包含了一根 BNC 转 SMA 高性能屏蔽线,便于与各种电流输入源对接。模块采用了双金属屏蔽罩降低各种噪声和干扰。在设计和生产过程中,工程师对不同供应商的 10GΩ电阻进行了全方位的评估测试,从中挑选出性能优异的电阻确保模块的性能。PAM2.0 模块简化了电源设计,使用 LTC3260 双路低噪声 LDO 为 ADA4530-1 供电。在次级信号的放大选择上,客户既可以使用 ADA4522-1 与 ADG1608 的组合进行硬件电路放大,亦可使用 AD7124-4 片内 PGA 软件程控放大,从而灵活的比较两种方式的性能和成本。ADC 选择了最新的 AD7124-4, 它具有 24 位 19.2KSPS 最高输出数据率,并提供三种功耗模式(低 / 中 / 全性能),从而让客户在设计便携式测量应用时无需更改硬件。若客户需要更高的采样率 ADC,亦可从 TP2 端与各种 ADC 评估板进行对接。精心设计的 LABVIEW GUI 提供了模块配置、实时波形显示、直方图和统计分析、测试数据导出成 Excel 文件等功能。

 

图 6 系统框图

 

匠心设计的收获是显而易见的:使用 Keithley 6220 源表进行测试,PAM2.0 模块在 0-20pA 的 I-V 曲线测试中,线性度达到了 0.9999x;在 0-100pA 的测试中,线性度达到了 0.999999x。PAM2.0 每款模块均进行出厂线性度评估并配发 85 点测试报告。

 

图 7  0-100pA 21 点 I-V 线性度测试图

 

这款超高精度皮安计模块旨在从系统设计角度出发,提供给客户快速设计原型,让产品迅速推向市场。

 

据悉该模块将会在 11 月 16-18 日,于上海新国际博览中心的慕尼黑上海分析生化展上展出,并在世健网店出售。