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作者：ADI現場(chǎng)應用工程師Aoi Ueda 問(wèn)題： 有沒(méi)有一種簡(jiǎn)單的辦法來(lái)測量飛安級別的超低偏置電流？ 
答案： 有——只需要仔細設置。 簡(jiǎn)介 在要求低漏電流的應用中，請務(wù)必選擇低輸入偏置電流(IB)的運算放大器。盡管“應用筆記AN-1373”中曾介紹了如何使用ADA4530-1評估板測量超低偏置電流。然而，由于飛安(fA)級電流的實(shí)際處理性質(zhì)，測量環(huán)境（夾具、屏蔽、電纜、連接器等設備）也會(huì )影響測量結果。 本文將介紹ADI如何嘗試使用常見(jiàn)的商業(yè)級實(shí)驗室設備、夾具和材料重現AN-1373中的測量過(guò)程，并提供一些替代方案來(lái)改進(jìn)測量，最終測試的偏置電流將達到50fA。首先，測量用于測量偏置電流的輸入電容（運放內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。其次，嘗試根據測得的輸出電壓推導偏置電流值。最后，將嘗試根據測量結果來(lái)改進(jìn)測量環(huán)境。 容性集成測量 根據AN-1373，為了使用容性集成測量方法，必須先測量ADA4530-1的輸入電容(Cp)。本次實(shí)驗將使用ADA4530-1R-EBZ-BUF來(lái)執行，ADA4530-1配置為單位增益的緩沖器模式。 接著(zhù)，計算輸入電流(IB+)。具體來(lái)說(shuō)，使用圖1所示的電路配置，當測試盒中的SW從ON（接地至GND）轉到OFF（開(kāi)路）時(shí)，IB+流入Cp。當IB+給Cp充電時(shí)，輸出電壓升高，因此通過(guò)監控IB+并將其代入等式1，可以計算其值。
圖1.容性集成測量方法示意圖
通過(guò)輸入串聯(lián)電阻測量總輸入電容 為計算Cp，本實(shí)驗使用串聯(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A(yíng)N-1373第6頁(yè)的測量指南，實(shí)際值是Rs = 8.68 MΩ。此外，在測試盒中安裝了SW，以供稍后的實(shí)驗使用（此時(shí)，SW開(kāi)路）。 可以測量函數發(fā)生器的波形衰減到-3dB時(shí)的頻率，并且可以使用等式2計算輸入電容。
圖2.使用輸入串聯(lián)電阻計算Cp
圖3顯示了這一設置。在“通過(guò)已知輸入電容測量IB+”部分（AN-1373的第6頁(yè)）描述的實(shí)驗中，由于溫控室中的溫度提高至125°C，因此需使用能夠承受該溫度的材料。如將RG-316U用作同軸電纜的材料。此外，評估板上ADA4530-1的同相輸入是三軸連接器。為此，三軸-同軸轉換連接器（Axis公司的BJ-TXP-1）被采用。在該配置中，三軸側的保護端口保持浮空。
圖3.Cp測量設置：(a)溫控室內部——所示為ADA4530-1的評估板和(b)測試盒側的設置 獲得的測量結果是Cp = 73.6pF，這是一個(gè)相對較大的值，因為根據AN-1373，實(shí)際測量值約為2pF。其原因與測試盒（更像是測試板）到同相輸入的電纜長(cháng)度有關(guān)。 通過(guò)已知輸入電容測量IB+ 下面開(kāi)始測量偏置電流。電路配置如圖1所示，安裝的測試盒如圖4所示。注意，移除了“通過(guò)輸入串聯(lián)電阻測量總輸入電容”部分使用的輸入電阻。如AN-1373（容性集成測量方法，第7頁(yè)）中所述，將SW短接至GND，然后將其置于開(kāi)路，并使用數字萬(wàn)用表(DMM)監控輸出電壓波動(dòng)持續數分鐘（此處使用的是Keysight Technologies的34401A DMM）。最后，通過(guò)將VOUT代入等式1，計算IB+。
圖4.容性集成測量的設置 相同條件下的三次測量結果如圖5所示。圖中下半部分顯示了通過(guò)DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓波動(dòng)，上半部分顯示了使用等式1計算的電流值。該圖顯示，對于所有三個(gè)實(shí)例，測得的電壓值都沒(méi)有可重復性。因此，計算得到的電流值波形也與AN-1373中描述的結果不同（參見(jiàn)AN-1373圖13和14）。
圖5.測量結果：下半部分顯示了通過(guò)DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓，上半部分顯示了使用等式1計算的電流值。藍線(xiàn)是第一次測量，綠線(xiàn)是第二次測量，紅線(xiàn)是第三次測量。 如何改進(jìn)測量環(huán)境 在“容性集成測量”部分，根據AN-1373測量了IB+，但結果有所不同。接下來(lái)會(huì )分享如何改進(jìn)測量環(huán)境，從而提高測量精度。 安裝屏蔽盒并縮短輸入電纜 首先，可實(shí)施以下兩項改進(jìn)： u 在恒溫室內的評估板上安裝了屏蔽盒（參見(jiàn)圖6）。
圖6.安裝屏蔽盒 u 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7.縮短同軸電纜 第一項改進(jìn)旨在減少外部噪聲的影響，第二項改進(jìn)是降低電纜中的小漏電流（重新計算的Cp是35.2pF）。然而，雖然采取了這些措施并重新進(jìn)行了測量，但與“容性集成測量”中獲得的結果類(lèi)似，沒(méi)有觀(guān)察到可重復性。波形與預期波形顯著(zhù)不同。 移除測試盒 移除所用的測試盒，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)為測試盒的電導組件，然后執行測量。因此，能夠獲得如圖9所示的波形。
圖8.移除測試盒后進(jìn)行測量。在SW內部手動(dòng)執行短路和開(kāi)路操作。
圖9.移除測試盒后的測量結果：藍線(xiàn)、橙線(xiàn)和綠線(xiàn)是Cp = 35.2pF時(shí)的測量結果。紅線(xiàn)是Cp = 26.5pF時(shí)的測量結果。 在所有測量中，由DMM測量的輸出電壓以恒定斜率升高，并達到約4.16V。對應的電流值約為50fA。 此外，圖9中的紅線(xiàn)顯示使用更短的同軸電纜連接到同相輸入端子時(shí)，重新測量的波形(Cp = 26.5pF)。電壓升高的斜率與理論計算值一樣大。從這些測量結果可以看出，輸入側的電導組件會(huì )對測量精度產(chǎn)生顯著(zhù)的不利影響。 結論 雖然fA級測量可在一般實(shí)驗室環(huán)境中執行，但需要仔細考慮運算放大器輸入側的漏電流路徑。為了提高測量精度，建議在輸入側使用特氟龍端子模塊或評估板配合使用三軸電纜。 致謝 作者在此衷心感謝Scott Hunt、Iku Nagai和Jun Kakinuma提供的技術(shù)建議。 關(guān)于作者 Aoi Ueda于2021年加入ADI公司日本子公司(ADKK)，擔任儀器儀表部門(mén)的現場(chǎng)應用工程師。他于2021年和2019年分別獲得奈良先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)的工程碩士學(xué)位和奈良工業(yè)高等專(zhuān)門(mén)學(xué)校的學(xué)士學(xué)位。他是一名日本偶像御宅族。 |
