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超越经典!世健推出全新超高精度皮安计模块

在模拟的世界里,微弱电流信号的测量通常是工程师需要面对的棘手挑战。随着各种仪器仪表的产品性能迭代以及各种新应用的层出不穷,对于微弱电流的测量范围已经从微安级(uA)提升到了皮安级(pA), 提升了足足一百万倍!

为了测量微弱的电流,通常我们将运放进行跨阻方式连接,见图1所示。unEesmc

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图 1 跨阻放大器unEesmc

理想运算放大器的反相输入端处于虚地,输入端所有电流流经反馈电阻 Rf ,因此输出电压Vout = Rf × IdunEesmc

所以我们只需要选择一个Rf为10GΩ的电阻就可以将1pA的电流信号变换成10mV的电压信号了吗?答案是否定的 – 我们会遇到非常多的挑战:来自运放自身的偏置电流误差,环境温度与湿度的变化,PCB板的泄漏电流,输入端与线路噪声,电磁干扰等等,这些都是摆在精密测量方面的难题。unEesmc

选择一款超低偏置电流的放大器成为了工程师挑战系统性能的关键。20年前,一款JFET放大器AD549横空出世,成为了精密电流测量应用的一代经典。光谱仪,气相色谱仪,静电计应用中处处可见其身影。其低至100-250fA的输入偏置电流(图2)以及优异的温漂曲线以今天的眼光来看,都是几无对手。unEesmc

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图2 摘自AD549数据手册unEesmc

以超越致敬经典,这成为了ADI人对技术的一种追求。2015年底,ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工艺实现了JFET的性能挑战。其失调电压最大50μV,偏置电流在−40°C 至+85°C范围内均不超过20fA – 比AD549J性能足足提升了几百倍!unEesmc

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图 3  摘自ADA4530-1数据手册unEesmc

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图 4 ADA4530与AD549对比表unEesmc

有了优异的器件,如何将其性能发挥出来,从系统设计的角度去满足皮安级电流测量的性能要求?针对中国工程师的需求,世健上海技术团队挑战难关,在原有设计的皮安级电流计量评估套件的基础上做了大幅度的改进,于2020年10月正式发布了可商业化的超高精度皮安计模块 EPSH-PAM2.0 (以下简称PAM2.0模块)。unEesmc

“精心的模块设计,严格的工艺制作,保证了PAM2.0模块的性能与质量。50µV(相当于5fA)的RMS底噪,能满足绝大部分微弱电流信号测量用户的需求。” – 世健高级技术副总裁戈一新表示到。unEesmc

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图5 外观与软件界面unEesmc

PAM2.0模块采用4层板布局及FR-4 PCB板材。工程师巧妙的采用了AD549国内经典的反相端悬空柱接方式,使得FR-4板材的效果依旧可以媲美ROGERS4350板材而成本大大降低。PAM2.0模块的输入端子为SMA接口。模块套件包含了一根BNC转SMA高性能屏蔽线,便于与各种电流输入源对接。模块采用了双金属屏蔽罩降低各种噪声和干扰。在设计和生产过程中,工程师对不同供应商的10GΩ电阻进行了全方位的评估测试,从中挑选出性能优异的电阻确保模块的性能。PAM2.0模块简化了电源设计,使用LTC3260 双路低噪声LDO为ADA4530供电。在次级信号的放大选择上,客户既可以使用ADA4522-1与ADG1608的组合进行硬件电路放大,亦可使用AD7124片内PGA软件程控放大,从而灵活的比较两种方式的性能和成本。ADC选择了最新的AD7124-4, 它具有24位19.2KSPS最高输出数据率,并提供三种功耗模式(低/中/全性能),从而让客户在设计便携式测量应用时无需更改硬件。若客户需要更高的采样率ADC,亦可从TP2端与各种ADC评估板进行对接。精心设计的LABVIEW GUI提供了模块配置、实时波形显示、直方图和统计分析、测试数据导出成Excel文件等功能。unEesmc

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图 6 系统框图unEesmc

匠心设计的收获是显而易见的:使用Keithley 6220源表进行测试,PAM2.0模块在0-20pA的I-V曲线测试中,线性度达到了0.9999x;在0-100pA的测试中,线性度达到了0.999999x。PAM2.0每款模块均进行出厂线性度评估并配发85点测试报告。unEesmc

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图7  0-100pA 21点I-V线性度测试图unEesmc

世健的超高精度皮安计模块旨在从系统设计角度出发,提供给客户快速设计原型,让产品迅速推向市场。目前该模块已经上线世健在线商城-世芯商城,感兴趣的朋友可以在线咨询购买。unEesmc

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