準(zhǔn)確的弱電信號(hào)測(cè)量是各種科學(xué)分析設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)和過程控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，尤其是當(dāng)弱電信號(hào)達(dá)到pA甚至fA水平時(shí)。 如何測(cè)量微弱信號(hào)?這向來是各大儀器廠商津津樂道的話題。如何設(shè)計(jì)檢測(cè)微弱電流的產(chǎn)品?這對(duì)設(shè)計(jì)者來說也是巨大的挑戰(zhàn)。

一直以來，基于ADI的JFET放大器AD549芯片方案在微弱電流采樣的前端扮演著主力中堅(jiān)的角色，在儀器儀表行業(yè)持續(xù)橫行了30多年，經(jīng)久不衰。但由于JFET工藝的芯片短板很明顯，它缺少Bipolar型放大器所擁有的低失調(diào)、低電壓噪聲以及低溫漂高共模等特性，對(duì)于不同溫度下的特性補(bǔ)償很難拿捏得準(zhǔn)確。隨著科技的進(jìn)步，ADI基于新型CMOS工藝，通過DigiTrim®技術(shù)革新，在2015年發(fā)布了ADA4530-1，在具備了極低的偏置電流和超高輸入阻抗的同時(shí)，還擁有更低的失調(diào)電壓，更優(yōu)良的溫漂特性，以及更高的環(huán)路帶寬和ESD保護(hù)功能等等。以下圖1是ADA4530和AD549的對(duì)比圖，不難發(fā)現(xiàn)即使是高溫的情況下，ADA4530依舊有著良好的偏置電流特性。

圖1 ADA4530-1與AD549性能對(duì)比表

但不同的是，CMOS工藝往往推出的是SMT封裝，實(shí)際在應(yīng)用上增加了設(shè)計(jì)者的難度。由于AD549是DIP封裝，用戶只需要把輸入引腳騰空就可以得到良好的絕緣效果，但ADA4530卻不能，所以對(duì)如何挑選PCB的板材和PCB布線都有很高的設(shè)計(jì)要求。

(注：極低的輸入偏置電流和極高的輸入電阻要求，使得用于構(gòu)建電路的材料的絕緣電阻常常成為最大的誤差源。任何具有有限電阻且與高阻抗導(dǎo)體接觸的絕緣體都會(huì)產(chǎn)生誤差電流，比如PCB層壓材料、電纜和連接器絕緣層)

針對(duì)以上應(yīng)用難題，與ADI合作三十多年的技術(shù)型分銷商Excelpoint世健上海技術(shù)團(tuán)隊(duì)，從ADA4530芯片預(yù)發(fā)布起就開始對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的研究和技術(shù)積累?；谌绾瓮ㄟ^良好的設(shè)計(jì)全面發(fā)揮ADA4530-1的性能，Excelpoint世健在皮安級(jí)電流計(jì)量評(píng)估套件上不斷更新設(shè)計(jì)和研發(fā)，自2020年9月推出超高精度皮安計(jì)模塊EPSH-PAM2.0后得到了用戶的一致好評(píng)。 近期更發(fā)布了超高精度皮安計(jì)模塊的增強(qiáng)版本 EPSH-PAM2.0EP，為終端用戶提供兩種細(xì)分的選擇，加速客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(后文均以PAM2.0EP來描述)。

作為皮安計(jì)模組的進(jìn)階版產(chǎn)品，PAM2.0EP擁有更強(qiáng)的性能特點(diǎn)：

電路設(shè)計(jì)上， ADA4530-1通過10GR跨阻后進(jìn)行IV轉(zhuǎn)換，第二級(jí)則采用低噪的軌對(duì)軌零漂放大器ADA4522-1對(duì) ADA4530輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。值得一提的是，這里為方便客戶單獨(dú)使用模塊的前端，世健在ADA4522-1上加入了增益可控電路(通過低Ron的多路開關(guān)ADG1608和固定阻值搭配達(dá)到增益可控)并留有測(cè)試點(diǎn)TP。

后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇上同樣采用的是ADI經(jīng)典24bit Δ-∑ ADC-AD7124，AD7124更像是一款小型采集系統(tǒng)，高精度的ADC內(nèi)核以及內(nèi)置的PAG能在靈活調(diào)整信號(hào)增益和采集的同時(shí)，還保證了低的增益誤差和較高的ENOB值。另外，AD7124的三態(tài)工作模式，非常適合需要不同功耗領(lǐng)域的產(chǎn)品應(yīng)用，它的數(shù)據(jù)采集速率最大可達(dá)到19.2KSPS。

在供電端，世健采用了兩顆低噪聲高電源抑制比的LDO，LTC3260和LT1762，前者是一顆功能性超強(qiáng)的Charge pump加內(nèi)置正負(fù)輸出型LDO的產(chǎn)品，可以很好的保證了運(yùn)放的供電需求，后者則提供穩(wěn)定的3.3V供給數(shù)字部分。

圖2 PAM2.0EP系統(tǒng)框圖

MCU部分采用的是Microchip ARM Cortex-M0，通過單片機(jī)內(nèi)置USB端口與PC端對(duì)話。可視化的GUI界面可圈可點(diǎn)，用戶可以通過安裝Labview GUI軟件，在PC端通過軟件界面來實(shí)時(shí)的配置模塊上的各個(gè)功能，讓其給出信號(hào)波形、直方圖以及統(tǒng)計(jì)分析等，同時(shí)軟件還支持Excel數(shù)據(jù)導(dǎo)出，非常適合需要做長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試記錄的用戶。

圖3 外觀與軟件界面

PAM2.0EP模塊有者非常出色的線性度數(shù)據(jù)，不僅在常溫下測(cè)試數(shù)據(jù)優(yōu)異，在全溫度范圍下的線性度表現(xiàn)也非常出色。

模塊的品質(zhì)檢測(cè)，均采用的是Keithley 6220源表測(cè)量，每款產(chǎn)品都會(huì)在不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試，通過99個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)合格的情況下判定為可供出貨產(chǎn)品，出廠產(chǎn)品均會(huì)配發(fā)這99點(diǎn)測(cè)試報(bào)告。被測(cè)點(diǎn)包括：

1. 常溫25?C，0~100pA范圍中步進(jìn)為10pA的11個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)和1個(gè)底噪數(shù)據(jù)點(diǎn)

2. 常溫25?C， 0~20pA范圍中步進(jìn)為1pA的21個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)

3. 溫度40?C、55?C、 70?C、 85?C、 100?C和 115?C時(shí)，每個(gè)溫度點(diǎn)0~100pA的范圍中步進(jìn)為10pA的11個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)試點(diǎn)，共66個(gè)數(shù)據(jù)

在常溫25°C 時(shí)

0-100pA的I-V曲線(見圖4)，線性度好于百萬分之一(0.999999x)。

0-20pA的I-V曲線(見圖5)，線性度好于萬分之一(0.9999x)。

圖4 0-100pA的I-V曲線測(cè)試圖表(溫度25°C)

圖5 0-20pA的I-V線性曲線測(cè)試 (溫度25°C)

從圖6測(cè)試結(jié)果看，在每個(gè)電流輸入點(diǎn)，溫度對(duì)電流引起的電流峰峰偏差ΔIp-p約為1pA。用戶可以根據(jù)溫度曲線，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)一步線性化處理，提供精度。

從40?C至115?C，以15?C為間隔的選擇了7點(diǎn)溫度點(diǎn)25?C, 40?C, 55?C, 70?C, 85?C, 100?C, 115?C，每個(gè)溫度點(diǎn)下以10pA 每步從0到100pA測(cè)試11點(diǎn)數(shù)。

圖6 40?C至115?C 溫度下0-100pA的I-V曲線測(cè)試圖表

世健技術(shù)支持部的高級(jí)副總裁戈一新向我們介紹道：“升級(jí)版的PAM2.0EP是針寬溫度范圍下的微弱電流檢測(cè)應(yīng)用來開發(fā)的，對(duì)比之前的版本，它提升了全溫度范圍下的性能和整體可靠性，我們通過大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試保證了這一點(diǎn)。產(chǎn)品即使在高溫下同樣保持相當(dāng)不錯(cuò)的噪聲水平和線性度。我們會(huì)提供每款產(chǎn)品多點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)，希望幫助用戶節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)周期。”

據(jù)悉，目前相關(guān)模塊都已在世健網(wǎng)店出售。