[導(dǎo)讀]文末有驚喜，100京東E卡等著你！ 請輸入 從毫安到微安再到皮安，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及市場對于低功耗的需求，電子設(shè)備的電流水平有往小發(fā)展的趨勢，比如手機(jī)電池待機(jī)電流（10?3A）、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
從毫安到微安再到皮安，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及市場對于低功耗的需求，電子設(shè)備的電流水平有往小發(fā)展的趨勢，比如手機(jī)電池待機(jī)電流（10?3A）、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)。
首先要考慮的便是測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，我們還能愉快地測出待測電流大小嗎？當(dāng)然不行，因?yàn)樾盘?hào)（待測電流）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)對測量結(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。這些問題我們在設(shè)計(jì)中如何避免呢？
圖1：pA級(jí)電流測量所面臨的挑戰(zhàn)
高靈敏度檢測器需要精密信號(hào)鏈以支持極低的檢測量程。雖然面臨的挑戰(zhàn)諸多，但我們有應(yīng)對方案。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--超高靈敏度飛安測量平臺(tái)，并且針對設(shè)計(jì)過程中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了解答。
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、色譜分析和庫侖分析等。
? 飛安輸入偏置電流運(yùn)算放大器ADA4530-1
? 簡單的電源：9VDC輸入，ADP7118、ADP2442、ADP7182
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。相對于常規(guī)運(yùn)放，方案中使用的放大器ADA4530-1是一款fA(10?15A)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)。相比于同類競爭器件，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。
我們在設(shè)計(jì)中需考慮可能影響測量結(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。
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。
去除保護(hù)環(huán)/走線上的焊罩/絲網(wǎng)
需要由與輸入端等電位的放大器（如緩沖器）驅(qū)動(dòng)
高源阻抗和低誤差要求會(huì)對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。
圖5：保護(hù)環(huán)及保護(hù)層的實(shí)現(xiàn)參考
圖6：保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理示例
? 屏蔽有助于讓雜散場遠(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
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(IBATT)，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測量精度造成影響。一般要注意以下幾種污染源的影響：
介電弛豫（也稱為介電吸收或浸潤）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10fA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。
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。
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)鍵特性測量都是利用Rogers4350B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：
? 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
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
總體上，此類應(yīng)用中pA級(jí)電流的測量相對其他量程電流測量，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)電流測量的無人區(qū)。
有獎(jiǎng)問答題目
舉例說明基于ADA4530-1檢測方案的具體應(yīng)用場景。
1）即日起至7月5日（周日）晚24點(diǎn)，點(diǎn)擊 【有獎(jiǎng)問答】穿越電流測量的無人區(qū)——pA等級(jí)電流測量 ，在世健公眾號(hào)文章下留言回答問題；
2）合格的留言將以提交時(shí)間先后被移入精選； *溫馨提示：若答案抄襲自原文將被視為不合格答案，不移入精選。
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1）世健將于7月7日（周二）在公眾號(hào)公布獲獎(jiǎng)名單，并以留言回復(fù)方式通知獲獎(jiǎng)?wù)?，請獲獎(jiǎng)?wù)咛峁﹤€(gè)人信息；
2）世健將根據(jù)中獎(jiǎng)?wù)咚顚懶畔?，?個(gè)工作日內(nèi)將京東E卡的卡號(hào)和卡密通過郵件發(fā)送給中獎(jiǎng)?wù)撸?/span>
3）如獲獎(jiǎng)?wù)?個(gè)工作日內(nèi)未回復(fù)正確的個(gè)人信息給世健，則視為放棄領(lǐng)獎(jiǎng)；
4）本次活動(dòng)最終解釋權(quán)為Excelpoint世健所有。
亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健(Excelpoint)是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。
世健是新加坡主板上市公司，擁有超過30年歷史。世健中國區(qū)總部設(shè)于香港，目前在中國擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗(yàn)，世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。
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