【導(dǎo)讀】從毫安到微安再到皮安，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)于低功耗的需求，電子設(shè)備的電流水平有往小發(fā)展的趨勢(shì)，比如手機(jī)電池待機(jī)電流（10−3 A）、光電二極管暗電流（10−12 A）、OLED的像素電流（10−12 A）等。而如何精確測(cè)量出微弱電流，則成了一道避不開(kāi)的難題。為穿過(guò)這片“無(wú)人區(qū)”，測(cè)量出pA等級(jí)的電流，我們必須踏入小數(shù)點(diǎn)后15位（fA等級(jí)）的世界。然而，這片了無(wú)人煙的區(qū)域并不是那么好踏足，路上的荊棘羈絆是難免的，需克服重重挑戰(zhàn)才能成功到達(dá)終點(diǎn)。
多重挑戰(zhàn)
首先要考慮的便是測(cè)量中的偏置電流問(wèn)題。當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí)，理想電流計(jì)的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為零。然而，實(shí)際的電流計(jì)在輸入端開(kāi)路時(shí)有一些小的電流。這些電流是由有源器件的偏置電流以及流過(guò)儀器內(nèi)部的絕緣材料的泄漏電流所引起的。
試想一下，待測(cè)電流小到1pA，而構(gòu)成電流計(jì)的器件之一—運(yùn)算放大器的偏置電流卻達(dá)到100pA，我們還能愉快地測(cè)出待測(cè)電流大小嗎？當(dāng)然不行，因?yàn)樾盘?hào)（待測(cè)電流）已被誤差電流（偏置電流）掩蓋，除非我們能將偏置電流控制在fA水平。
偏置電流滿(mǎn)足了是不是就可以了？不，這只是萬(wàn)里長(zhǎng)征中的第一步。接下來(lái)要考慮的問(wèn)題還很多，包括很多設(shè)計(jì)上，工藝上的細(xì)節(jié)都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響。比如噪聲、電介質(zhì)吸收、泄漏電流、絕緣、屏蔽、PCB材料，甚至電纜等。這些問(wèn)題我們?cè)谠O(shè)計(jì)中如何避免呢？
圖1：pA級(jí)電流測(cè)量所面臨的挑戰(zhàn)
應(yīng)對(duì)方案
高靈敏度檢測(cè)器需要精密信號(hào)鏈以支持極低的檢測(cè)量程。雖然面臨的挑戰(zhàn)諸多，但我們有應(yīng)對(duì)方案。技術(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健公司的工程師 Kayden Wang介紹了ADI解決方案--超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)，并且針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行了解答。
超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)方案
此方案非常適合化學(xué)分析儀和實(shí)驗(yàn)室級(jí)儀器使用，其需要超高靈敏度模擬前端來(lái)對(duì)光電二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。可以使用該解決方案的應(yīng)用包括質(zhì)譜分析、色譜分析和庫(kù)侖分析等。
? 方案特點(diǎn)
• <10fA靈敏度，10GΩ跨阻
• 500pA測(cè)量范圍
• 屏蔽
• 利用ADuM3151隔離
• 飛安輸入偏置電流運(yùn)算放大器ADA4530-1
• 24位分辨率ADC AD7172-2
• 利用USB接口通過(guò)SDP連接PC
• 簡(jiǎn)單的電源：9VDC輸入， ADP7118、ADP2442、ADP7182
• 測(cè)量同步
• 觸發(fā)輸入/輸出信號(hào)
圖2：超高靈敏度飛安測(cè)量平臺(tái)方案框圖
圖3：飛安測(cè)量系統(tǒng)功能框圖
此方案中，其中一個(gè)重要的考量點(diǎn)便是低偏置電流運(yùn)算放大器的選擇。相對(duì)于常規(guī)運(yùn)放，方案中使用的放大器ADA4530-1是一款fA (10−15 A)級(jí)輸入偏置電流運(yùn)算放大器，集成式保護(hù)環(huán)緩沖器用于隔離輸入引腳以防受到印刷電路板(PCB) 漏電流的影響，而且能減少電路板元件數(shù)。相比于同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)器件，輸入偏置電流低45倍，直流精度提高10倍。除了適用于此方案中的跨阻放大器，也可用于化學(xué)傳感器和電容傳感器的高阻抗緩沖器。
圖4：ADA4530-1主要優(yōu)勢(shì)
設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)
我們?cè)谠O(shè)計(jì)中需考慮可能影響測(cè)量結(jié)果的多個(gè)因素，才能最大程度地發(fā)揮器件的優(yōu)越性能，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
1）保護(hù)的設(shè)計(jì)
一般做法是用另一導(dǎo)體將高阻抗節(jié)點(diǎn)包圍起來(lái)，并將導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)到保護(hù)電壓（等于或接近高阻抗節(jié)點(diǎn)電位），這樣就不會(huì)有電流流經(jīng)絕緣電阻，并且更好的布局產(chǎn)生更好的性能，性能隨時(shí)間和環(huán)境條件的變化越小。
? 保護(hù)環(huán)
保護(hù)表面泄漏
去除保護(hù)環(huán)/走線(xiàn)上的焊罩/絲網(wǎng)
避免吸潮
需要由與輸入端等電位的放大器（如緩沖器）驅(qū)動(dòng)
? 保護(hù)層
保護(hù)PCB主體
? 過(guò)孔防護(hù)
保護(hù)側(cè)面漏電流路徑
高源阻抗和低誤差要求會(huì)對(duì)絕緣電阻提出不切實(shí)際的高要求。ADA4530-1的保護(hù)技術(shù)可將此類(lèi)要求降低到合理水平。其原理是用另一種驅(qū)動(dòng)到相同電位的導(dǎo)體（保護(hù)環(huán)）包圍高阻抗導(dǎo)體。如果（高阻抗導(dǎo)體與保護(hù)環(huán)之間的）絕緣電阻上沒(méi)有電壓，那么就不會(huì)有任何電流流經(jīng)其中。ADA4530-1內(nèi)部使用保護(hù)技術(shù)，集成了超高性能的保護(hù)環(huán)緩沖器。此緩沖器的輸出可供外部使用，以便簡(jiǎn)化電路級(jí)的保護(hù)實(shí)現(xiàn)。為了顯示保護(hù)的實(shí)施方式，電壓緩沖器電路（參見(jiàn)圖6）經(jīng)過(guò)修改。該模型中增加了一個(gè)導(dǎo)體(VGRD)，它將高阻抗 (A) 節(jié)點(diǎn)與不同電壓的低阻抗 (B) 節(jié)點(diǎn)完全隔開(kāi)。絕緣電阻用兩個(gè)電阻來(lái)模擬：A導(dǎo)體與保護(hù)導(dǎo)體之間的所有絕緣電阻 (RSHUNT1)，以及保護(hù)導(dǎo)體與B導(dǎo)體之間的所有絕緣電阻(RSHUNT2)。然后，ADA4530-1保護(hù)環(huán)緩沖器將此保護(hù)導(dǎo)體（通過(guò)引腳2和引腳7）驅(qū)動(dòng)到A端電壓。若A節(jié)點(diǎn)和VGRD節(jié)點(diǎn)的電壓完全相同，就不會(huì)有電流流經(jīng)絕緣電阻RSHUNT1。
圖5：保護(hù)環(huán)及保護(hù)層的實(shí)現(xiàn)參考
圖6：保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理示例
2）屏蔽的設(shè)計(jì)
• 屏蔽有助于讓雜散場(chǎng)遠(yuǎn)離敏感節(jié)點(diǎn)，可以采取屏蔽盒的方式
• 操作員能接觸到的屏蔽應(yīng)接地以確保安全
圖7：常見(jiàn)屏蔽方式
3）污染源處理
污染源容易形成弱電池，將該污染電池連接在TIA電路的A端和B端，可得到一個(gè)簡(jiǎn)化模型（參見(jiàn)圖8）。A端和B端均被驅(qū)動(dòng)到相同電壓，產(chǎn)生一個(gè)誤差電流(IBAT T)，因?yàn)檩敵鲭娮枭洗嬖谝粋€(gè)等于電池開(kāi)路電壓的壓降，如下式所示：IBATT = VBATT ÷ RBATT。此電池電流流過(guò)反饋電阻，在反饋電阻上與電路中的信號(hào)電流和其他誤差電流合并對(duì)測(cè)量精度造成影響。一般要注意以下幾種污染源的影響：
• 焊劑殘留
• 塵土和其他顆粒狀堆積
• 灰塵
• 體油
• 含鹽潮氣
圖8：污染源對(duì)電路精度的影響
對(duì)此，世健工程師給出以下幾點(diǎn)建議：
• 裝配后清洗/清潔PCB
• 潮氣會(huì)降低PCB和電纜的絕緣性
選擇合適的材料并在受控環(huán)境中測(cè)量
清洗后烘烤以消除吸收的濕氣
• 不要使用免清潔型焊膏
4）電介質(zhì)吸收
介電弛豫（也稱(chēng)為介電吸收或浸潤(rùn)）是所有絕緣材料都有的特性，它會(huì)限制需要建立到數(shù)fA水平的靜電計(jì)電路性能。常用的PCB薄片是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FR-4玻璃環(huán)氧樹(shù)脂。測(cè)量結(jié)果如圖9所示。玻璃環(huán)氧樹(shù)脂薄片需要1小時(shí)才能將介電弛豫電流耗散到10 fA以下。這表明，玻璃環(huán)氧樹(shù)脂薄片不適合用于高性能靜電計(jì)電路。
圖9：玻璃環(huán)氧樹(shù)脂介電弛豫性能
考慮的另一種PCB薄片是Rogers 4350B。Rogers 4350B是一種設(shè)計(jì)用于射頻/微波電路的陶瓷薄片。Rogers 4350B兼容標(biāo)準(zhǔn)PCB生產(chǎn)技術(shù)，使用廣泛。Rogers 4350B材料的測(cè)量結(jié)果如圖10所示。該材料在不到20秒時(shí)間內(nèi)，便可將介電弛豫電流耗散到1fA以下。
圖10：Rogers 4350B介電弛豫性能
鑒于其性能出色， Kayden建議，在最高性能應(yīng)用中，將Rogers 4350B薄片配合ADA4530-1使用。ADA4530-1的所有關(guān)鍵特性測(cè)量都是利用Rogers 4350B進(jìn)行。
同時(shí)根據(jù)世健的支持經(jīng)驗(yàn)，建議PCB加工工藝：
• 四層板，成品板厚約1.5mm
• 板材：1/2層，3/4層為rogers 4350B, 厚度10mil；2/3層為FR408或Roger 4450（注意不是普通的FR-4板材）。
• 銅箔厚度：內(nèi)層1oz，外層1.5oz
• 阻焊：雙面，綠色
• 字符：雙面，白色
• 過(guò)孔：雙面露環(huán)
• 表面沉金處理
5）電纜和連接器
• 最佳：使用三同軸電纜
有一根額外的內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)來(lái)保護(hù)信號(hào)
• 只要中心導(dǎo)線(xiàn)與屏蔽體之間的電位差非常小，BNC、SMA和同軸電纜是可行的
某些RF材料(PTFE)具有良好的低漏電、低DA屬性
• 捆扎電纜以減少摩擦起電效應(yīng)
總結(jié)
總體上，此類(lèi)應(yīng)用中pA級(jí)電流的測(cè)量相對(duì)其他量程電流測(cè)量，無(wú)論是從設(shè)計(jì)還是工藝上有很多需要考量的地方，參照此推薦方案和設(shè)計(jì)要點(diǎn)可以大大縮短研發(fā)周期，助力我們順利穿過(guò)pA等級(jí)電流測(cè)量的無(wú)人區(qū)。
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