■ 简介

ADA 4530 是一款 ADI 公司出品的低偏置电流的放大电路。根据手册数据:它的偏置电流大约在 20fA 左右。因此它可以用于很多高阻放大电路。

 

▲ ADA4530 静电计放大电路

 

下面是在 TB 上购买到的基于 ADA4530 的放大电路模块。在金属屏蔽盒中就是一块 ADA4530IC 芯片。其中,在输出到返现输入之间跨接一个 10G 欧姆的电阻。。所以输出电压与输入电流之间的关系为:

 

 

因此,输出电压每伏对应 100pA,每 mV 对应 100fA 的电流。

 

01 一些简单测试实验

1. 测量火焰中的离子

在富含氢碳化合物燃烧时会产生大量的电子和离子。普通气体打火机中通常装有丁烷(Butane),它的分子式为:)。具有 10 个 H-C 共价键。丁烷气体燃烧时会产生大量的电子。

 

 

▲ 丁烷的分子式和分子结构图

 

 

在静电放大模块输入端口引线增加一片金属网,或者纯粹加一根铁丝,在附近点燃打火机,此时空气中会产生大量的电荷。这些电荷将会引起静电放大器输出的变化。

 

下面动图显示了打火机所引起静电放大器输出信号的波动。一张图是使用了金属网感应电荷的变化,下一张图是使用金属丝感应电荷的变化。对比可以看到,金属网对火焰中的电荷变化更为明显。

 

▲ 在声音传感器前点打火机,引起输出电压的变化

 

▲ 使用打火机对金属丝进行点燃引起变化

 

火焰离子检测器(FID)就是根据这个原理来检测特定含有碳氢化合物的浓度的。

 

2. 放射衰变电流

在博文 放射源烟雾传感器[1]中介绍了基于放射物质镅(Americium)的烟雾传感器。人造放射性元素镅()的半衰期为 432 年。在烟雾传感器中就包含一片含有镅的金属片,它通过衰变可以电离空气,产生大量的电子和离子。

 

将烟雾传感器离子室中的放射金属片与静电放大器输入端相连,可以在放大器输出端测量大约 300mV 的变化,换算到输入端则是大约 30 微安的电流流出静电放大器。这与烟雾传感器所标明的镅的活性所引起空气电离电子的数量大体是在同一个数量级的。

 

▲ 对放射性烟雾传感器的核心电流进行放大

 

3. 测量二极管 I-V 特性

二极管是常见到的半导体电子元器件,通常情况下,应用它的单向导通特性,来进行信号的整流、检波、钳位逻辑运算等。用于描述二极管特性也相对比较简单,可以看成使用电压控制的开关。当二极管两端的电压为正时,开关闭合,反之开关打开。

 

当信号频率增加,则需要考虑二极管的分布电容参数;当信号幅度弱的时候,则需要考虑二极管非线性。比如对于 高频检波 应用中,则用于描述二极管 I-V 特性就非常复杂。

 

 

理解二极管的工作模式是将来弄懂更加复杂元器件工作原理的基础,比如 BJT,JFETS,MOSFET 等。这些器件都可以最终退化成一系列的 PN 节和电容的组合。

 

上面公式(2)给出了通常教科书中对于二极管 P-N 结电流 - 电压关系式,但这个关系式只是在电流很小的情况下才满足。下面给出了这个公式大体适应的电压范围。对应的电流应该在安培之间。这个电流适合使用静电计来进行测量。

 

 

下面给出了测量硅二极管输入电压与电流的示意图。输入 U1 是由数控直流电压源提供,由于流经二极管的电流非常小,所以 U1 大体可以看成施加在二极管两端的电压;经过静电放大器输出的电压 U2 经过比例换算可以得到二极管的电流。

 

▲ 扩展量程之后的测量电路

 

下面是测量施加电压从 -4.5V 增加到 0.2V 过程中电流的变化和数据。

▲ 实际 Silicon 整流二极管测量数据曲线

 

使用指数模型对上述测量结果进行建模:

 

利用 scipy.optimize 中的 curve_fit 函数来进行曲线拟合,得到的参数为:[a,b,c]= [  8.44483303  0.09925057 -11.89422983]

 

绘制出模型曲线与测量曲线:

▲ 对测量的硅二极管的电压与电流曲线与建模曲线的对比

 

可以看到,对于施加电压对于 0 部分,拟合曲线的精度相当好。而对于电压小于 0 之后,测量的曲线电流就明显偏离了模型指数曲线了,这种偏离来自于二极管内部 PN 结边缘处导电所引起的反向电流增加。

 

※ 结论

使用 ADA4531 fA 级静电放大器[2] 可以测量飞安级别的小电流,那么对于一些通常情况下难以使用万用表、示波器观察到的小电流进行放大后,便可以揭示出很多物理过程的现象,这为进一步定量分析一些物理过程提供了数据的支撑。

 

 

参考资料

[1]放射源烟雾传感器: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ&mid=2452228140&idx=1&sn=2509997e46a8b7a0b50c3769f0579668&chksm=876ee64eb0196f584d09d2f13c181a882f01c3fd2d60c6bc9f05b9a091fb520cbb610d3ff87a&token=1391850963&lang=zh_CN#rd*

[2]ADA4531 fA 级静电放大器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107070715

 


 

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