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【实用技巧】如何使用商业级实验室设备测量超低偏置电流

09/26 07:34 作者:与非网编辑
阅读需 9 分钟
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问题:
有没有一种简单的办法来测量飞安级别的超低偏置电流?

答案:
有——只需要仔细设置。

 
简介
在要求低漏电流的应用中,请务必选择低输入偏置电流(IB)的运算放大器。尽管“应用笔记AN-1373”中曾介绍了如何使用ADA4530-1评估板测量超低偏置电流。然而,由于飞安(fA)级电流的实际处理性质,测量环境(夹具、屏蔽、电缆、连接器等设备)也会影响测量结果。

本文将介绍ADI如何尝试使用常见的商业级实验室设备、夹具和材料重现AN-1373中的测量过程,并提供一些替代方案来改进测量,最终测试的偏置电流将达到50fA。首先,测量用于测量偏置电流的输入电容(运放内部的等效共模输入电容),以及125°C条件下给输入电容充电时输出电压的变化。其次,尝试根据测得的输出电压推导偏置电流值。最后,将尝试根据测量结果来改进测量环境。

 
容性集成测量
根据AN-1373,为了使用容性集成测量方法,必须先测量ADA4530-1的输入电容(Cp)。本次实验将使用ADA4530-1R-EBZ-BUF来执行,ADA4530-1配置为单位增益的缓冲器模式。

接着,计算输入电流(IB+)。具体来说,使用图1所示的电路配置,当测试盒中的SW从ON(接地至GND)转到OFF(开路)时,IB+流入Cp。当IB+给Cp充电时,输出电压升高,因此通过监控IB+并将其代入等式1,可以计算其值。

图1.容性集成测量方法示意图

 
通过输入串联电阻测量总输入电容

为计算Cp,本实验使用串联电阻法。图2显示了一个简单的电路示意图。串联电阻的值基于AN-1373第6页的测量指南,实际值是Rs = 8.68 MΩ。此外,在测试盒中安装了SW,以供稍后的实验使用(此时,SW开路)。

可以测量函数发生器的波形衰减到-3dB时的频率,并且可以使用等式2计算输入电容。

图2.使用输入串联电阻计算Cp

图3显示了这一设置。在“通过已知输入电容测量IB+”部分(AN-1373的第6页)描述的实验中,由于温控室中的温度提高至125°C,因此需使用能够承受该温度的材料。如将RG-316U用作同轴电缆的材料。此外,评估板上ADA4530-1的同相输入是三轴连接器。为此,三轴-同轴转换连接器(Axis公司的BJ-TXP-1)被采用。在该配置中,三轴侧的保护端口保持浮空。

图3.Cp测量设置:(a)温控室内部——所示为ADA4530-1的评估板和(b)测试盒侧的设置

获得的测量结果是Cp = 73.6pF,这是一个相对较大的值,因为根据AN-1373,实际测量值约为2pF。其原因与测试盒(更像是测试板)到同相输入的电缆长度有关。

 
通过已知输入电容测量IB+
下面开始测量偏置电流。电路配置如图1所示,安装的测试盒如图4所示。注意,移除了“通过输入串联电阻测量总输入电容”部分使用的输入电阻。如AN-1373(容性集成测量方法,第7页)中所述,将SW短接至GND,然后将其置于开路,并使用数字万用表(DMM)监控输出电压波动持续数分钟(此处使用的是Keysight Technologies的34401A DMM)。最后,通过将VOUT代入等式1,计算IB+。

图4.容性集成测量的设置

相同条件下的三次测量结果如图5所示。图中下半部分显示了通过DMM测量的ADA4530-1的输出电压波动,上半部分显示了使用等式1计算的电流值。该图显示,对于所有三个实例,测得的电压值都没有可重复性。因此,计算得到的电流值波形也与AN-1373中描述的结果不同(参见AN-1373图13和14)。

图5.测量结果:下半部分显示了通过DMM测量的ADA4530-1的输出电压,上半部分显示了使用等式1计算的电流值。蓝线是第一次测量,绿线是第二次测量,红线是第三次测量。

 
如何改进测量环境
In the section “Capacitive Integration Measurement,” we measured IB+ based on the AN-1373, but the results differed. In this section, we share the steps to improve the measurement environment and thus, the accuracy of the measurements.

在“容性集成测量”部分,根据AN-1373测量了IB+,但结果有所不同。接下来会分享如何改进测量环境,从而提高测量精度。

 
安装屏蔽盒并缩短输入电缆
首先,可实施以下两项改进:

  • 在恒温室内的评估板上安装了屏蔽盒(参见图6)。

图6.安装屏蔽盒

  • 缩短了连接到同相输入端子的同轴电缆,以减小Cp(参见图7)。

图7.缩短同轴电缆

第一项改进旨在减少外部噪声的影响,第二项改进是降低电缆中的小漏电流(重新计算的Cp是35.2pF)。然而,虽然采取了这些措施并重新进行了测量,但与“容性集成测量”中获得的结果类似,没有观察到可重复性。波形与预期波形显著不同。

 
移除测试盒
移除所用的测试盒,然后将SW改为直接短接至地和开路(参见图8)。也就是说,移除称为测试盒的电导组件,然后执行测量。因此,能够获得如图9所示的波形。

图8.移除测试盒后进行测量。在SW内部手动执行短路和开路操作。

图9.移除测试盒后的测量结果:蓝线、橙线和绿线是Cp = 35.2pF时的测量结果。红线是Cp = 26.5pF时的测量结果。

在所有测量中,由DMM测量的输出电压以恒定斜率升高,并达到约4.16V。对应的电流值约为50fA。

此外,图9中的红线显示使用更短的同轴电缆连接到同相输入端子时,重新测量的波形(Cp = 26.5pF)。电压升高的斜率与理论计算值一样大。从这些测量结果可以看出,输入侧的电导组件会对测量精度产生显著的不利影响。

 
结论
虽然fA级测量可在一般实验室环境中执行,但需要仔细考虑运算放大器输入侧的漏电流路径。为了提高测量精度,建议在输入侧使用特氟龙端子模块或评估板配合使用三轴电缆。

致谢
作者在此衷心感谢Scott Hunt、Iku Nagai和Jun Kakinuma提供的技术建议。

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