實(shí)驗(yàn)室設(shè)備測(cè)量超低偏置電流的實(shí)用技巧

在要求低漏電流的應(yīng)用中，請(qǐng)務(wù)必選擇低輸入偏置電流(IB)的運(yùn)算放大器。應(yīng)用筆記 AN-1373 介紹如何使用 ADA4530-1 評(píng)估板測(cè)量超低偏置電流。然而，由于飛安(fA)級(jí)電流的實(shí)際處理性質(zhì)，測(cè)量環(huán)境(夾具、屏蔽、電纜、連接器等設(shè)備)也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

問(wèn)題:

有沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的辦法來(lái)測(cè)量飛安級(jí)別的超低偏置電流?

答案:

有——只需要仔細(xì)設(shè)置。

簡(jiǎn)介

在要求低漏電流的應(yīng)用中，請(qǐng)務(wù)必選擇低輸入偏置電流(IB)的運(yùn)算放大器。應(yīng)用筆記 AN-1373 介紹如何使用 ADA4530-1 評(píng)估板測(cè)量超低偏置電流。然而，由于飛安(fA)級(jí)電流的實(shí)際處理性質(zhì)，測(cè)量環(huán)境(夾具、屏蔽、電纜、連接器等設(shè)備)也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

本文將介紹如何嘗試使用常見(jiàn)的商業(yè)級(jí)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、夾具和材料重現(xiàn)AN-1373中的測(cè)量過(guò)程，并提供一些替代方案來(lái)改進(jìn)測(cè)量，最終測(cè)試的偏置電流將達(dá)到50 fA。首先，我們測(cè)量用于測(cè)量偏置電流的輸入電容(運(yùn)放內(nèi)部的等效共模輸入電容)，以及125°C條件下給輸入電容充電時(shí)輸出電壓的變化。我們還嘗試根據(jù)測(cè)得的輸出電壓推導(dǎo)偏置電流值。最后，我們將嘗試根據(jù)測(cè)量結(jié)果來(lái)改進(jìn)測(cè)量環(huán)境。

容性集成測(cè)量

根據(jù)AN-1373，為了使用容性集成測(cè)量方法，必須先測(cè)量ADA4530-1的輸入電容(Cp)。我們將使用 ADA4530-1R-EBZ-BUF 執(zhí)行本次實(shí)驗(yàn)，ADA4530-1配置為單位增益的緩沖器模式。

接著，我們計(jì)算輸入電流(IB+)。具體來(lái)說(shuō)，使用圖1所示的電路配置，當(dāng)測(cè)試盒中的SW從ON(接地至GND)轉(zhuǎn)到OFF(開(kāi)路)時(shí)，IB+流入Cp。當(dāng)IB+給Cp充電時(shí)，輸出電壓升高，因此通過(guò)監(jiān)控IB+并將其代入等式1，可以計(jì)算其值。

圖1.容性集成測(cè)量方法示意圖。

通過(guò)輸入串聯(lián)電阻測(cè)量總輸入電容

為計(jì)算Cp，本實(shí)驗(yàn)使用串聯(lián)電阻法。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的電路示意圖。串聯(lián)電阻的值基于AN-1373第6頁(yè)的測(cè)量指南，實(shí)際值是Rs = 8.68 MΩ。此外，在測(cè)試盒中安裝了SW，以供稍后的實(shí)驗(yàn)使用(此時(shí)，SW開(kāi)路)。

可以測(cè)量函數(shù)發(fā)生器的波形衰減到–3 dB時(shí)的頻率，并且可以使用等式2計(jì)算輸入電容。

圖2.使用輸入串聯(lián)電阻計(jì)算Cp。

圖3顯示這一設(shè)置。在“通過(guò)已知輸入電容測(cè)量IB+”部分(AN-1373的第6頁(yè))描述的實(shí)驗(yàn)中，由于溫控室中的溫度提高至125°C，因此我們使用能夠承受該溫度的材料。RG-316U用作同軸電纜的材料。此外，評(píng)估板上ADA4530-1的同相輸入是三軸連接器。為此，使用三軸-同軸轉(zhuǎn)換連接器(Axis公司的BJ-TXP-

圖3.Cp測(cè)量設(shè)置：(a)溫控室內(nèi)部——所示為ADA4530-1的評(píng)估板，和(b)測(cè)試盒側(cè)的設(shè)置。

獲得的測(cè)量結(jié)果是Cp = 73.6 pF，這是一個(gè)相對(duì)較大的值，因?yàn)楦鶕?jù)AN-1373，實(shí)際測(cè)量值約為2 pF。其原因與測(cè)試盒(更像是測(cè)試板)到同相輸入的電纜長(zhǎng)度有關(guān)。

通過(guò)已知輸入電容測(cè)量IB+

最后，我們開(kāi)始測(cè)量偏置電流。電路配置如圖1所示，(找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城)安裝的測(cè)試盒如圖4所示。注意，移除了“通過(guò)輸入串聯(lián)電阻測(cè)量總輸入電容”部分使用的輸入電阻。如AN-1373(容性集成測(cè)量方法，第7頁(yè))中所述，將SW短接至GND，然后將其置于開(kāi)路，并使用數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)監(jiān)控輸出電壓波動(dòng)持續(xù)數(shù)分鐘(我們使用的是Keysight Technologies的34401A DMM)。最后，通過(guò)將VOUT代入等式1，計(jì)算IB+。

圖4.容性集成測(cè)量的設(shè)置。

相同條件下的三次測(cè)量結(jié)果如圖5所示。圖中下半部分顯示了通過(guò)DMM測(cè)量的ADA4530-1的輸出電壓波動(dòng)，上半部分顯示了使用等式1計(jì)算的電流值。該圖顯示，對(duì)于所有三個(gè)實(shí)例，測(cè)得的電壓值都沒(méi)有可重復(fù)性。因此，計(jì)算得到的電流值的波形也與AN-1373中描述的結(jié)果不同(參見(jiàn)AN-1373圖13和14)。

圖5.測(cè)量結(jié)果。下半部分顯示了通過(guò)DMM測(cè)量的ADA4530-1的輸出電壓，上半部分顯示了使用等式1計(jì)算的電流值。藍(lán)線是第一次測(cè)量，綠線是第二次測(cè)量，紅線是第三次測(cè)量。

如何改進(jìn)測(cè)量環(huán)境

在“容性集成測(cè)量”部分，我們根據(jù)AN-1373測(cè)量了IB+，但結(jié)果有所不同。在這一部分，我們分享如何改進(jìn)測(cè)量環(huán)境，從而提高測(cè)量精度。

安裝屏蔽盒并縮短輸入電纜

首先，我們實(shí)施了以下兩項(xiàng)改進(jìn)：

● 在恒溫室內(nèi)的評(píng)估板上安裝了屏蔽盒(參見(jiàn)圖6)。

● 縮短了連接到同相輸入端子的同軸電纜，以減小Cp(參見(jiàn)圖7)。

圖6.安裝屏蔽盒。

圖7.縮短同軸電纜。

第一項(xiàng)改進(jìn)旨在減少外部噪聲的影響，第二項(xiàng)改進(jìn)是降低電纜中的小漏電流(重新計(jì)算的Cp是35.2 pF)。然而，雖然采取了這些措施并重新進(jìn)行了測(cè)量，但與“容性集成測(cè)量”中獲得的結(jié)果類(lèi)似，沒(méi)有觀察到可重復(fù)性。波形與預(yù)期波形顯著不同。

移除測(cè)試盒

移除所用的測(cè)試盒，然后將SW改為直接短接至地和開(kāi)路(參見(jiàn)圖8)。也就是說(shuō)，移除稱(chēng)為測(cè)試盒的電導(dǎo)組件，然后執(zhí)行測(cè)量。因此，我們能夠獲得如圖9所示的波形。

圖8.移除測(cè)試盒后進(jìn)行測(cè)量。在SW內(nèi)部手動(dòng)執(zhí)行短路和開(kāi)路操作。

圖9.移除測(cè)試盒后的測(cè)量結(jié)果。藍(lán)線、橙線和綠線是Cp = 35.2 pF時(shí)的測(cè)量結(jié)果。紅線是Cp = 26.5 pF時(shí)的測(cè)量結(jié)果。

在所有測(cè)量中，由DMM測(cè)量的輸出電壓以恒定斜率升高，并達(dá)到約4.16 V。對(duì)應(yīng)的電流值約為50 fA。

此外，圖9中的紅線顯示使用更短的同軸電纜連接到同相輸入端子時(shí)，重新測(cè)量的波形(Cp = 26.5 pF)。電壓升高的斜率與理論計(jì)算值一樣大。從這些測(cè)量結(jié)果可以看出，輸入側(cè)的電導(dǎo)組件會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生顯著的不利影響。

結(jié)論

雖然fA級(jí)測(cè)量可在一般實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中執(zhí)行，但需要仔細(xì)考慮運(yùn)算放大器輸入側(cè)的漏電流路徑。

為了提高測(cè)量精度，建議在輸入側(cè)使用特氟龍端子模塊或評(píng)估板配合使用三軸電纜。

審核編輯：湯梓紅