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穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量

發(fā)布時(shí)間:2020-07-06 來源:世健 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】從毫安到微安再到皮安,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,以及市場(chǎng)對(duì)于低功耗的需求,電子設(shè)備的電流水平有往小發(fā)展的趨勢(shì),比如手機(jī)電池待機(jī)電流(10−3 A)、光電二極管暗電流(10−12 A)、OLED的像素電流(10−12 A)等。而如何精確測(cè)量出微弱電流,則成了一道避不開的難題。為穿過這片“無人區(qū)”,測(cè)量出pA等級(jí)的電流,我們必須踏入小數(shù)點(diǎn)后15位(fA等級(jí))的世界。然而,這片了無人煙的區(qū)域并不是那么好踏足,路上的荊棘羈絆是難免的,需克服重重挑戰(zhàn)才能成功到達(dá)終點(diǎn)。
 
多重挑戰(zhàn)
 
首先要考慮的便是測(cè)量中的偏置電流問題。當(dāng)輸入端開路時(shí),理想電流計(jì)的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為零。然而,實(shí)際的電流計(jì)在輸入端開路時(shí)有一些小的電流。這些電流是由有源器件的偏置電流以及流過儀器內(nèi)部的絕緣材料的泄漏電流所引起的。
 
試想一下,待測(cè)電流小到1pA,而構(gòu)成電流計(jì)的器件之一—運(yùn)算放大器的偏置電流卻達(dá)到100pA,我們還能愉快地測(cè)出待測(cè)電流大小嗎?當(dāng)然不行,因?yàn)樾盘?hào)(待測(cè)電流)已被誤差電流(偏置電流)掩蓋,除非我們能將偏置電流控制在fA水平。
 
偏置電流滿足了是不是就可以了?不,這只是萬里長(zhǎng)征中的第一步。接下來要考慮的問題還很多,包括很多設(shè)計(jì)上,工藝上的細(xì)節(jié)都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。比如噪聲、電介質(zhì)吸收、泄漏電流、絕緣、屏蔽、PCB材料,甚至電纜等。這些問題我們?cè)谠O(shè)計(jì)中如何避免呢?
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖1:pA級(jí)電流測(cè)量所面臨的挑戰(zhàn)
 
應(yīng)對(duì)方案
 
高靈敏度檢測(cè)器需要精密信號(hào)鏈以支持極低的檢測(cè)量程。雖然面臨的挑戰(zhàn)諸多,但我們有應(yīng)對(duì)方案。技術(shù)型分銷商Excelpoint世健公司的工程師 Kayden Wang介紹了ADI解決方案--超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái),并且針對(duì)設(shè)計(jì)過程中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了解答。
 
超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)方案
 
此方案非常適合化學(xué)分析儀和實(shí)驗(yàn)室級(jí)儀器使用,其需要超高靈敏度模擬前端來對(duì)光電二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理??梢允褂迷摻鉀Q方案的應(yīng)用包括質(zhì)譜分析、色譜分析和庫(kù)侖分析等。
 
? 方案特點(diǎn)
 
•  <10fA靈敏度,10GΩ跨阻
 
•  500pA測(cè)量范圍
 
•  屏蔽
 
•  利用ADuM3151隔離
 
•  飛安輸入偏置電流運(yùn)算放大器ADA4530-1
 
•  24位分辨率ADC AD7172-2
 
•  利用USB接口通過SDP連接PC
 
•  簡(jiǎn)單的電源:9VDC輸入, ADP7118、ADP2442、ADP7182
 
•  測(cè)量同步
 
•  觸發(fā)輸入/輸出信號(hào)
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖2:超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)方案框圖
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖3:飛安測(cè)量系統(tǒng)功能框圖
 
此方案中,其中一個(gè)重要的考量點(diǎn)便是低偏置電流運(yùn)算放大器的選擇。相對(duì)于常規(guī)運(yùn)放,方案中使用的放大器ADA4530-1是一款fA (10−15 A)級(jí)輸入偏置電流運(yùn)算放大器,集成式保護(hù)環(huán)緩沖器用于隔離輸入引腳以防受到印刷電路板(PCB) 漏電流的影響,而且能減少電路板元件數(shù)。相比于同類競(jìng)爭(zhēng)器件,輸入偏置電流低45倍,直流精度提高10倍。除了適用于此方案中的跨阻放大器,也可用于化學(xué)傳感器和電容傳感器的高阻抗緩沖器。
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖4:ADA4530-1主要優(yōu)勢(shì)
 
設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)
 
我們?cè)谠O(shè)計(jì)中需考慮可能影響測(cè)量結(jié)果的多個(gè)因素,才能最大程度地發(fā)揮器件的優(yōu)越性能,達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
 
1)保護(hù)的設(shè)計(jì)
 
一般做法是用另一導(dǎo)體將高阻抗節(jié)點(diǎn)包圍起來,并將導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)到保護(hù)電壓(等于或接近高阻抗節(jié)點(diǎn)電位),這樣就不會(huì)有電流流經(jīng)絕緣電阻,并且更好的布局產(chǎn)生更好的性能,性能隨時(shí)間和環(huán)境條件的變化越小。
 
? 保護(hù)環(huán)
 
保護(hù)表面泄漏
 
去除保護(hù)環(huán)/走線上的焊罩/絲網(wǎng)
 
避免吸潮
 
需要由與輸入端等電位的放大器(如緩沖器)驅(qū)動(dòng)
 
? 保護(hù)層
 
保護(hù)PCB主體
 
? 過孔防護(hù)
 
保護(hù)側(cè)面漏電流路徑
 
高源阻抗和低誤差要求會(huì)對(duì)絕緣電阻提出不切實(shí)際的高要求。ADA4530-1的保護(hù)技術(shù)可將此類要求降低到合理水平。其原理是用另一種驅(qū)動(dòng)到相同電位的導(dǎo)體(保護(hù)環(huán))包圍高阻抗導(dǎo)體。如果(高阻抗導(dǎo)體與保護(hù)環(huán)之間的)絕緣電阻上沒有電壓,那么就不會(huì)有任何電流流經(jīng)其中。ADA4530-1內(nèi)部使用保護(hù)技術(shù),集成了超高性能的保護(hù)環(huán)緩沖器。此緩沖器的輸出可供外部使用,以便簡(jiǎn)化電路級(jí)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)。為了顯示保護(hù)的實(shí)施方式,電壓緩沖器電路(參見圖6)經(jīng)過修改。該模型中增加了一個(gè)導(dǎo)體(VGRD),它將高阻抗 (A) 節(jié)點(diǎn)與不同電壓的低阻抗 (B) 節(jié)點(diǎn)完全隔開。絕緣電阻用兩個(gè)電阻來模擬:A導(dǎo)體與保護(hù)導(dǎo)體之間的所有絕緣電阻 (RSHUNT1),以及保護(hù)導(dǎo)體與B導(dǎo)體之間的所有絕緣電阻(RSHUNT2)。然后,ADA4530-1保護(hù)環(huán)緩沖器將此保護(hù)導(dǎo)體(通過引腳2和引腳7)驅(qū)動(dòng)到A端電壓。若A節(jié)點(diǎn)和VGRD節(jié)點(diǎn)的電壓完全相同,就不會(huì)有電流流經(jīng)絕緣電阻RSHUNT1。
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖5:保護(hù)環(huán)及保護(hù)層的實(shí)現(xiàn)參考
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖6:保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理示例
 
2)屏蔽的設(shè)計(jì)
 
• 屏蔽有助于讓雜散場(chǎng)遠(yuǎn)離敏感節(jié)點(diǎn),可以采取屏蔽盒的方式
 
• 操作員能接觸到的屏蔽應(yīng)接地以確保安全
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖7:常見屏蔽方式
 
3)污染源處理
 
污染源容易形成弱電池,將該污染電池連接在TIA電路的A端和B端,可得到一個(gè)簡(jiǎn)化模型(參見圖8)。A端和B端均被驅(qū)動(dòng)到相同電壓,產(chǎn)生一個(gè)誤差電流(IBAT T),因?yàn)檩敵鲭娮枭洗嬖谝粋€(gè)等于電池開路電壓的壓降,如下式所示:IBATT = VBATT ÷ RBATT。此電池電流流過反饋電阻,在反饋電阻上與電路中的信號(hào)電流和其他誤差電流合并對(duì)測(cè)量精度造成影響。一般要注意以下幾種污染源的影響:
 
• 焊劑殘留
 
• 塵土和其他顆粒狀堆積
 
• 灰塵
 
• 體油
 
• 含鹽潮氣
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖8:污染源對(duì)電路精度的影響
 
對(duì)此,世健工程師給出以下幾點(diǎn)建議:
 
• 裝配后清洗/清潔PCB
 
• 潮氣會(huì)降低PCB和電纜的絕緣性
 
 選擇合適的材料并在受控環(huán)境中測(cè)量
 
清洗后烘烤以消除吸收的濕氣
 
• 不要使用免清潔型焊膏
 
4)電介質(zhì)吸收
 
介電弛豫(也稱為介電吸收或浸潤(rùn))是所有絕緣材料都有的特性,它會(huì)限制需要建立到數(shù)fA水平的靜電計(jì)電路性能。常用的PCB薄片是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FR-4玻璃環(huán)氧樹脂。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。玻璃環(huán)氧樹脂薄片需要1小時(shí)才能將介電弛豫電流耗散到10 fA以下。這表明,玻璃環(huán)氧樹脂薄片不適合用于高性能靜電計(jì)電路。
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖9:玻璃環(huán)氧樹脂介電弛豫性能
 
考慮的另一種PCB薄片是Rogers 4350B。Rogers 4350B是一種設(shè)計(jì)用于射頻/微波電路的陶瓷薄片。Rogers 4350B兼容標(biāo)準(zhǔn)PCB生產(chǎn)技術(shù),使用廣泛。Rogers 4350B材料的測(cè)量結(jié)果如圖10所示。該材料在不到20秒時(shí)間內(nèi),便可將介電弛豫電流耗散到1fA以下。
 
穿越電流測(cè)量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測(cè)量
圖10:Rogers 4350B介電弛豫性能
 
鑒于其性能出色, Kayden建議,在最高性能應(yīng)用中,將Rogers 4350B薄片配合ADA4530-1使用。ADA4530-1的所有關(guān)鍵特性測(cè)量都是利用Rogers 4350B進(jìn)行。
 
同時(shí)根據(jù)世健的支持經(jīng)驗(yàn),建議PCB加工工藝:
 
• 四層板,成品板厚約1.5mm
 
• 板材:1/2層,3/4層為rogers 4350B, 厚度10mil;2/3層為FR408或Roger 4450(注意不是普通的FR-4板材)。
 
• 銅箔厚度:內(nèi)層1oz,外層1.5oz
 
•  阻焊:雙面,綠色
 
•  字符:雙面,白色
 
• 過孔:雙面露環(huán)
 
• 表面沉金處理
 
5)電纜和連接器
 
• 最佳:使用三同軸電纜
 
有一根額外的內(nèi)部導(dǎo)線來保護(hù)信號(hào)
 
• 只要中心導(dǎo)線與屏蔽體之間的電位差非常小,BNC、SMA和同軸電纜是可行的
 
某些RF材料(PTFE)具有良好的低漏電、低DA屬性
 
• 捆扎電纜以減少摩擦起電效應(yīng)
 
總結(jié)
 
總體上,此類應(yīng)用中pA級(jí)電流的測(cè)量相對(duì)其他量程電流測(cè)量,無論是從設(shè)計(jì)還是工藝上有很多需要考量的地方,參照此推薦方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以大大縮短研發(fā)周期,助力我們順利穿過pA等級(jí)電流測(cè)量的無人區(qū)。
 
 
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