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量子级别的超低电流如何测量?这里有一个超强方案哦~

发布时间:2020-09-17 来源:ADI 责任编辑:wenwei

【导读】对于所有与“电”相关的设备而言,电流是永远离不开的一个参数。电流的计量单位是A(安倍),它定义为1秒内通过横截面的电荷量为1库仑(6.241×10^18个电子的电荷量)时,电流大小为1A。在常见的生活电器中,电流常以A、mA(10-3)、μA(10-6)计,使用电笔或者万用表就能轻松测量对应参数并进行调试。
 
然而,但随着科技的进步,设备越来越精密化,对于超微弱电流的测量的需求也不断涌现,nA(10-9)、fA(10-15)级别的电流也变得常见起来,例如光电效应的测试——光照在光电发射材料上会打出电子,如何对这些电子进行观察?这些远远超出手边仪表能测量范畴的弱信号,对于精于信号调理的高性能模拟技术提供商ADI来说,绝不是难事。
 
量子级别的超低电流如何测量?这里有一个超强方案哦~
许多应用需要实现超高灵敏度测量系统。
 
测量微弱电流,运算放大器是关键
 
在前面提到的光电效应观测中,所产生电子以个数计,面对如此微弱的电流,常规的测量方案就无能为力了。在一般的微弱电流检测仪中,通常会采用一个I-V电路对输入的微弱电流信号进行转换放大,从而获得待测微弱电流的信号大小。在此电路中,最为核心的器件就是用于调理信号的运算放大器,它的精度决定了测试仪的灵敏度。而要满足此时的超低电流测量要求,就需要选取一个高输入阻抗、极低输入偏置电流的运算放大器作为前置放大器。这样可以防止运算放大器的输入偏置电流信号对输入的微弱电流信号造成分流,影响电路检测的精度。
 
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点击观看——ADA4530-1静电计运算放大器:测量fA电流
 
ADI推出的静电计运算放大器ADA4530-1能够满足这样的要求,它的典型偏置电流为0.1fA,这相当于每秒624个电子。此放大器外形紧凑,确保化学分析仪器可在更广泛的温度范围内实现最高精度和数据可重复性,从而降低总体物料成本和设计尺寸。ADA4530-1运算放大器的成功之处在于其偏置电流极低,为竞争产品的二十分之一,甚至更低。如此之低的偏置电流使得ADA4530-1成为连接对输出负载敏感的传感器(如光电二极管)以及精度监测/分析设备中常用的其他高输出阻抗传感器的理想选择,例如分光光度计、色谱仪、质谱仪,以及恒电位和恒电流库伦分析测量设备。这款放大器还可用作皮安计和库仑计测量系统的前端放大器,光电二极管、电离室和工作电极测量的跨阻放大器,或化学和电容传感器的高阻抗缓冲器。
 
温度为25℃时,ADA4530-1的典型输入偏置电流<1 fA,如此超低电流甚至无法通过任何仪表准确测量。例如,Keithley 6430 SourceMeter® 的失调电流在1 pA量程下最低为7fA。因此,要测量IB,需要加热DUT以增大输入偏置电流,使其达到可测量的值。根据数据手册规格,温度为125℃时可测量到的最大IB值为±250fA。
 
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ADA4530-1电路
 
即使在较为苛刻的使用环境中,ADA4530-1运算放大器也能满足较低的输入偏置电流需求,它的工作温度可从-40℃到125℃。在125摄氏度时,ADA4530-1的输入偏置电流为250 fA,在85℃时降至20 fA,如此低的偏置电流在超低电流测试中具有极大的性能优势。此外,ADA4530-1是唯一一款能够在室温至85℃范围内都能一直保持相同的20 fA输入偏置电流的运算放大器,能在室温至125℃范围内通过全面偏置电流生产测试偏置电流会妨碍系统设计人员充分发挥传感器的灵敏性,因为他们需要为偏置电流的较大变化范围预留一些防护频带。
 
ADA4530-1具有片内防护缓冲器,可以追踪输入共模电压并提供输出,用以驱动PCB保护环或互连的屏蔽体,目的是减少传感器和放大器之间敏感连接器中杂散电容的影响。从而简化了传感器接口设计,客户无需再为所需输出驱动器设计单独的电路,这样可以减少设计时间、节省成本和PCB空间。ADA4530-1还提供了低失调电压,低失调漂移以及要求低漏电的应用所需的低电压和电流噪声。为了使系统的动态范围最大化,ADA4530-1具有一个轨至轨输出级,通常可在10kΩ负载下驱动至电源轨的30 mV以内。
 
基于ADA4530-1的超低电流测试电路设计要点
 
超低电流测量常用到静电计,又叫电势差计或指针验电器,在中学静电实验中常用的半定量测量仪器也是此类产品,静电计可以用来检验物体所带电荷的种类并且测量电量。静电计可以具有电压表、电流表、欧姆表、库仑计功能,要实现精确测量的静电计电路这类高灵敏度检测器需要精密信号链以支持极低的检测水平,通常具有超高输入阻抗 (通常在100TΩ以上或高达10PΩ),以及超低输入失调电流 (小于50fA或低至50aA),采用跨阻放大器用于电流测量。
 
设计超高灵敏度飞安计电路无疑是极具挑战的任务。测量信号时,测量电平必须高于噪声,低电平测量要求我们更靠近阴影区域, 需要采取特殊措施才能获得精确结果。
 
量子级别的超低电流如何测量?这里有一个超强方案哦~
只有测试限值内才能实现电流精确测试。
 
ADI给出了现成的电路模块和电路原理图如下图所示,此超高灵敏度飞安电流测量平台允许直接连接应用环境中的传感器,可以通过SMA连接器与光电二极管、法拉第筒等传感器直接连接,实现<10fA灵敏度,10GW跨阻和500pA测量范围。该模块采用飞安输入偏置运算放大器ADA4530-1以及24位分辨率ADC AD7172-2,以及利用数字隔离器ADuM3151实现隔离。
 
量子级别的超低电流如何测量?这里有一个超强方案哦~
超高灵敏度飞安计模块电路原理图和实物图
 
事实上,完整的设计过程复杂而具有挑战性。总体而言,为实现高灵敏度电流测量,必须使输出误差最小并使SNR最大:为使输出误差最小,需要使用低IB和低漂移的高精度放大器;为使SNR最大,要求精心选择增益器件。此外,设计低电流测量硬件需要考虑一些独特的问题,例如板漏电、污染、湿气、电介质吸收、线缆等可能会带来相当大的测量误差,运用最佳的保护、屏蔽、清洁/搬运方法,使用适当的板/焊接材料和布线来降低误差。
 
量子级别的超低电流如何测量?这里有一个超强方案哦~
设计低电流测量硬件需要关注很多细节。
 
总结
 
在操作测量逐渐精密化的现在,ADI推出的运算放大器ADA4530-1采用CMOS工艺,能够实现最高4000V的ESD以及20fA级别的偏置电流,可广泛应用在化学分析、环境监控、过程控制等仪器上,如气相色谱仪、定便器、火焰离子化检测器、光谱议等,可以确保完成高灵敏度、低误差的超低电流测量。
 
ADA4503-1
 
●   低输入偏置电流 
    ○ 最大值:±20 fA(TA = 25°C,在产品测试中保证)
    ○ ±20 fA maximum at −40°C < TA < +85°C
    ○ 最大值:±250 fA(−40°C < TA < +125°C,在产品测试中保证)
●   低失调电压:最大值:50 μV(在额定CMRR范围内)
●   失调漂移:0.13 μV/°C(典型值),0.5 μV/°C(最大值)
●   集成防护缓冲区具有100 μV最大失调
●   低噪声:14 nV/√Hz (10 kHz)
●   宽带宽:2 MHz单位增益交越
●   电源电压:4.5 V至16 V(±2.25 V至±8 V)
●   工作温度:-40℃至+125℃
 
 
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