在模擬的世界里，微弱電流信號的測量通常是工程師需要面對的棘手挑戰(zhàn)。隨著各種儀器儀表的產(chǎn)品性能迭代以及各種新應(yīng)用的層出不窮，對于微弱電流的測量范圍已經(jīng)從微安級(μA)提升到了皮安級(pA)，提升了足足一百萬倍。

為了測量微弱的電流，通常工程師將運(yùn)放進(jìn)行跨阻方式連接，見圖1所示。

圖 1 跨阻放大器

理想運(yùn)算放大器的反相輸入端處于虛地，輸入端所有電流流經(jīng)反饋電阻 R f ，因此輸出電壓Vout = R f × I d 。

所以工程師只需要選擇一個Rf為10GΩ的電阻，就可以將1pA的電流信號變換成10mV的電壓信號了嗎?答案是否定的。工程師會面臨非常多的挑戰(zhàn)：來自運(yùn)放自身的偏置電流誤差，環(huán)境溫度與濕度的變化，PCB板的泄漏電流，輸入端與線路噪聲，電磁干擾等等，這些都是擺在精密測量方面的難題。

選擇一款超低偏置電流的放大器成為了工程師挑戰(zhàn)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。1987年，一款JFET放大器AD549橫空出世，成為了精密電流測量應(yīng)用三十年來經(jīng)久不衰的經(jīng)典產(chǎn)品。光譜儀，氣相色譜儀，靜電計應(yīng)用中處處可見其身影。其低至100-250fA的輸入偏置電流(圖2)以及優(yōu)異的溫漂曲線以今天的眼光來看，都是幾無對手。

圖2 摘自AD549數(shù)據(jù)手冊

以超越致敬經(jīng)典，這成為了ADI人對技術(shù)的一種追求。2015年底，ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工藝實現(xiàn)了JFET的性能挑戰(zhàn)。其失調(diào)電壓最大50μV，偏置電流在?40°C 至+85°C范圍內(nèi)均不超過20fA —— 高溫性能比AD549提升了幾百倍。

圖 3 摘自ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊

圖4 ADA4530-1與AD549對比表

有了優(yōu)異的器件，如何將其性能發(fā)揮出來，從系統(tǒng)設(shè)計的角度去滿足皮安級電流測量的性能要求?針對中國工程師的需求，與ADI合作三十多年的技術(shù)分銷商Excelpoint世健挑戰(zhàn)難關(guān)，它的上海技術(shù)團(tuán)隊在原有設(shè)計的皮安級電流計量評估套件的基礎(chǔ)上做了大幅度的改進(jìn)，于2020年10月正式發(fā)布了可商業(yè)化的超高精度皮安計模塊 EPSH-PAM2.0 (以下簡稱PAM2.0模塊)。

世健技術(shù)支持部的高級副總裁戈一新向我們介紹道：“精心的模塊設(shè)計，嚴(yán)格的工藝制作，保證了PAM2.0模塊的性能與質(zhì)量。50μV(相當(dāng)于5fA)的RMS底噪，能滿足絕大部分微弱電流信號測量用戶的需求?！?

圖5 外觀與軟件界面

PAM2.0模塊采用4層板布局及FR-4 PCB板材。工程師巧妙的采用了AD549國內(nèi)經(jīng)典的反相端懸空柱接方式，使得FR-4板材的效果依舊可以媲美ROGERS4350板材，而成本大大降低。PAM2.0模塊的輸入端子為SMA接口。模塊套件包含了一根BNC轉(zhuǎn)SMA高性能屏蔽線，便于與各種電流輸入源對接。模塊采用了雙金屬屏蔽罩降低各種噪聲和干擾。在設(shè)計和生產(chǎn)過程中，工程師對不同供應(yīng)商的10GΩ電阻進(jìn)行了全方位的評估測試，從中挑選出性能優(yōu)異的電阻確保模塊的性能。PAM2.0模塊簡化了電源設(shè)計，使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530-1供電。在次級信號的放大選擇上，客戶既可以使用ADA4522-1與ADG1608的組合進(jìn)行硬件電路放大，亦可使用AD7124-4片內(nèi)PGA軟件程控放大，從而靈活的比較兩種方式的性能和成本。ADC選擇了最新的AD7124-4, 它具有24位19.2KSPS最高輸出數(shù)據(jù)率，并提供三種功耗模式(低/中/全性能)，從而讓客戶在設(shè)計便攜式測量應(yīng)用時無需更改硬件。若客戶需要更高的采樣率ADC，亦可從TP2端與各種ADC評估板進(jìn)行對接。精心設(shè)計的LABVIEW GUI提供了模塊配置、實時波形顯示、直方圖和統(tǒng)計分析、測試數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel文件等功能。

圖 6 系統(tǒng)框圖

匠心設(shè)計的收獲是顯而易見的：使用Keithley 6220源表進(jìn)行測試，PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線測試中，線性度達(dá)到了0.9999x;在0-100pA的測試中，線性度達(dá)到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進(jìn)行出廠線性度評估并配發(fā)85點(diǎn)測試報告。

圖7 0-100pA 21點(diǎn)I-V線性度測試圖

這款超高精度皮安計模塊旨在從系統(tǒng)設(shè)計角度出發(fā)，提供給客戶快速設(shè)計原型，讓產(chǎn)品迅速推向市場。

據(jù)悉該模塊將會在11月16-18日，于上海新國際博覽中心的慕尼黑上海分析生化展上展出，并在世健網(wǎng)店出售。