■ 簡(jiǎn)介

ADA 4530是一款A(yù)DI公司出品的低偏置電流的放大電路。根據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)：它的偏置電流大約在20fA左右。因此它可以用于很多高阻放大電路。

下面是在TB上購(gòu)買(mǎi)到的基于ADA4530的放大電路模塊。在金屬屏蔽盒中就是一塊ADA4530IC芯片。其中，在輸出到返現(xiàn)輸入之間跨接一個(gè)10G歐姆的電阻。 。所以輸出電壓 與輸入電流 之間的關(guān)系為：

因此，輸出電壓每伏對(duì)應(yīng)100pA，每mV對(duì)應(yīng)100fA的電流。

01一些簡(jiǎn)單測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1.測(cè)量火焰中的離子

在富含氫碳化合物燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電子和離子。普通氣體打火機(jī)中通常裝有丁烷（Butane），它的分子式為： ）。具有10個(gè)H-C共價(jià)鍵。丁烷氣體燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電子。

在靜電放大模塊輸入端口引線增加一片金屬網(wǎng)，或者純粹加一根鐵絲，在附近點(diǎn)燃打火機(jī)，此時(shí)空氣中會(huì)產(chǎn)生大量的電荷。這些電荷將會(huì)引起靜電放大器輸出的變化。

下面動(dòng)圖顯示了打火機(jī)所引起靜電放大器輸出信號(hào)的波動(dòng)。一張圖是使用了金屬網(wǎng)感應(yīng)電荷的變化，下一張圖是使用金屬絲感應(yīng)電荷的變化。對(duì)比可以看到，金屬網(wǎng)對(duì)火焰中的電荷變化更為明顯。

火焰離子檢測(cè)器（FID）就是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)檢測(cè)特定含有碳?xì)浠衔锏臐舛鹊摹?/p>

2.放射衰變電流

在博文 放射源煙霧傳感器^[1]中介紹了基于放射物質(zhì)镅（Americium）的煙霧傳感器。人造放射性元素镅（ ）的半衰期為432年。在煙霧傳感器中就包含一片含有镅的金屬片，它通過(guò) 衰變可以電離空氣，產(chǎn)生大量的電子和離子。

將煙霧傳感器離子室中的放射金屬片與靜電放大器輸入端相連，可以在放大器輸出端測(cè)量大約300mV的變化，換算到輸入端則是大約30微安的電流流出靜電放大器。這與煙霧傳感器所標(biāo)明的镅的活性所引起空氣電離電子的數(shù)量大體是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)的。

3.測(cè)量二極管I-V特性

二極管是常見(jiàn)到的半導(dǎo)體電子元器件，通常情況下，應(yīng)用它的單向?qū)ㄌ匦?，?lái)進(jìn)行信號(hào)的整流、檢波、鉗位邏輯運(yùn)算等。用于描述二極管特性也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以看成使用電壓控制的開(kāi)關(guān)。當(dāng)二極管兩端的電壓為正時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，反之開(kāi)關(guān)打開(kāi)。

當(dāng)信號(hào)頻率增加，則需要考慮二極管的分布電容參數(shù)；當(dāng)信號(hào)幅度弱的時(shí)候，則需要考慮二極管非線性。比如對(duì)于 高頻檢波 應(yīng)用中，則用于描述二極管I-V特性就非常復(fù)雜。

理解二極管的工作模式是將來(lái)弄懂更加復(fù)雜元器件工作原理的基礎(chǔ)，比如BJT，JFETS，MOSFET等。這些器件都可以最終退化成一系列的PN節(jié)和電容的組合。

上面公式（2）給出了通常教科書(shū)中對(duì)于二極管P-N結(jié)電流-電壓關(guān)系式，但這個(gè)關(guān)系式只是在電流很小的情況下才滿足。下面給出了這個(gè)公式大體適應(yīng)的電壓范圍。對(duì)應(yīng)的電流應(yīng)該在 安培之間。這個(gè)電流適合使用靜電計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

下面給出了測(cè)量硅二極管輸入電壓與電流的示意圖。輸入U(xiǎn)1是由數(shù)控直流電壓源提供，由于流經(jīng)二極管的電流非常小，所以U1大體可以看成施加在二極管兩端的電壓；經(jīng)過(guò)靜電放大器輸出的電壓U2經(jīng)過(guò)比例換算可以得到二極管的電流。

下面是測(cè)量施加電壓從-4.5V增加到0.2V過(guò)程中電流的變化和數(shù)據(jù)。

使用指數(shù)模型對(duì)上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行建模：

利用scipy.optimize中的curve_fit函數(shù)來(lái)進(jìn)行曲線擬合，得到的參數(shù)為：[a,b,c]= [  8.44483303  0.09925057 -11.89422983]

繪制出模型曲線與測(cè)量曲線：

可以看到，對(duì)于施加電壓對(duì)于0部分，擬合曲線的精度相當(dāng)好。而對(duì)于電壓小于0之后，測(cè)量的曲線電流就明顯偏離了模型指數(shù)曲線了，這種偏離來(lái)自于二極管內(nèi)部PN結(jié)邊緣處導(dǎo)電所引起的反向電流增加。

※ 結(jié)論

使用 ADA4531 fA級(jí)靜電放大器^[2] 可以測(cè)量飛安級(jí)別的小電流，那么對(duì)于一些通常情況下難以使用萬(wàn)用表、示波器觀察到的小電流進(jìn)行放大后，便可以揭示出很多物理過(guò)程的現(xiàn)象，這為進(jìn)一步定量分析一些物理過(guò)程提供了數(shù)據(jù)的支撐。

參考資料