PD放大電路在布板時候如何減小漏電流

本文主要是整理下PD放大電路，在布板時候如何減小漏電流。因為一般PD前級放大電路處理的都是電流信號，當PD接收到的光信號很微弱時，意味著輸入給放大電路的電流信號非常小，像我現在做的這個項目，放大電路處理的是pA級的電流信號。實際上，放大電路采集nA及以下的電流信號，layout時都需要注意漏電流了。

那么，當PD放大電路處理pA級電流信號，布板時比較隨意、沒有考慮漏電流的影響，會發(fā)生什么呢?

會出現當無光信號輸入，放大電路理想情況下本該輸出0V，實際輸出的卻是如110mV;這個數據是真實的，這是以前工程師做的PD放大電路板的實測數據，他就沒有考慮到電路板上面的漏電流。這個直流誤差會減小電路測量的動態(tài)范圍，另外我覺得這個直流誤差并不是不變化的，它會隨著溫度、濕度變化而變化，所以即使希望用軟件調零的方式也會遇到些麻煩。圖1是典型的跨阻放大電路，為了提高信噪比，我們通常都會讓Rf很大，所以微弱的漏電流都會轉化為比較大的直流誤差。圖2為PCB漏電流的一個數例，當我們最小輸入電流為1pA，而電路板的漏電流卻達到了150pA!

另外，布板問題導致的漏電流過大，也會讓我們特別為跨阻放大電路應用選型的低輸入偏置電流(Ibs)運放失去意義。

圖1 跨阻放大電路的Rf通常都比較大，這里達到了1G，那么最小測量電流為1pA時，輸出電壓為1mV/pA。

圖2 PCB漏電流的數例，就是簡單的歐姆定律(I =V/R)算得的

現在知道了布板異常導致的漏電流，會對弱電流采樣電路造成不小的負面影響，如減小動態(tài)測量范圍，以及這個布板異常導致的漏電流是會變化的隨著溫度濕度，給軟件調零帶來麻煩。那么我們怎么布板才能避免它呢?圖3是PCB上面的漏電流路徑，本質上就是不要讓電流灌入到運放的Vin-節(jié)點里去。

圖3 跨組放大電路的漏電流路徑

從歐姆定律I=V/R公式里，我們可以非常直觀的找到如何解決漏電流問題，即增加R或者減小V。像我們以前色譜儀放大電路里面，為了減小PCB上面的漏電流，都是采用“空氣布線”的方式，即所有連接到運放Vin-節(jié)點的線都是手工焊上去的，不跟PCB有任何連接，這是增加R以減小I的方式。這種減小漏電流的放大問題在于：不利于生產，且連接到Vin-的線如果沒有固定牢固，那么比如用手拍一拍儀器輸出信號會劇烈變化。這是由于位移電流引起的(I=dc/dt*V，線纜移動會帶來分布電容變化導致了位移電流)，它雖然很小，但是放大電路非常靈敏度非常高，畢竟是測量pA級別信號的。麥克斯韋生前并沒有合適的條件驗證他理論推導出的位移電流是否存在，而現如今Ibs達到pA級別的運放都很常見很便宜了，如AD8065，測量位移電流變得非常方便，這是科技發(fā)展的一個小例子吧。

第二個解決PCB上漏電流的方法叫保護環(huán)，從歐姆定律理解就是減小V，當R兩端的V幾乎相等時，那么I自然就沒有了。這種方法雖然layout時稍微麻煩一點，但是便于生產，而且不會出現機械震動會引起輸出劇烈波動的問題。

圖4 跨組放大電路的保護環(huán)設計(注意映射層也要包起來)

像我這次做的PD放大電路板，就是用的保護環(huán)設計。實測效果非常好，同樣時1G放大倍率，當PD用黑膠帶罩住無輸入信號時，輸出信號為0.1mV(這里包含了PD本身的暗電流);且多個板卡具有一致性。