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作者：Andrew Qiu 準確的弱電信號測量是各種科學分析設備、環境監測和過程控制的關鍵環節之一，尤其是當弱電信號達到pA甚至fA水平時。 如何測量微弱信號？這向來是各大儀器廠商津津樂道的話題。如何設計檢測微弱電流的產品？這對設計者來說也是巨大的挑戰。 一直以來，基于ADI的JFET放大器AD549芯片方案在微弱電流采樣的前端扮演著主力中堅的角色，在儀器儀表行業持續橫行了30多年，經久不衰。但由于JFET工藝的芯片短板很明顯，它缺少Bipolar型放大器所擁有的低失調、低電壓噪聲以及低溫漂高共模等特性，對于不同溫度下的特性補償很難拿捏得準確。隨著科技的進步，ADI基于新型CMOS工藝，通過DigiTrim技術革新，在2015年發布了ADA4530-1，在具備了極低的偏置電流和超高輸入阻抗的同時，還擁有更低的失調電壓，更優良的溫漂特性，以及更高的環路帶寬和ESD保護功能等等。以下圖1是ADA4530和AD549的對比圖，不難發現即使是高溫的情況下，ADA4530依舊有著良好的偏置電流特性。 
圖1 ADA4530-1與AD549性能對比表 但不同的是，CMOS工藝往往推出的是SMT封裝，實際在應用上增加了設計者的難度。由于AD549是DIP封裝，用戶只需要把輸入引腳騰空就可以得到良好的絕緣效果，但ADA4530卻不能，所以對如何挑選PCB的板材和PCB布線都有很高的設計要求。 （注：極低的輸入偏置電流和極高的輸入電阻要求，使得用于構建電路的材料的絕緣電阻常常成為最大的誤差源。任何具有有限電阻且與高阻抗導體接觸的絕緣體都會產生誤差電流，比如PCB層壓材料、電纜和連接器絕緣層） 針對以上應用難題，與ADI合作三十多年的技術型分銷商Excelpoint世健上海技術團隊，從ADA4530芯片預發布起就開始對其進行針對性的研究和技術積累。基于如何通過良好的設計全面發揮ADA4530-1的性能，Excelpoint世健在皮安級電流計量評估套件上不斷更新設計和研發，自2020年9月推出超高精度皮安計模塊EPSH-PAM2.0后得到了用戶的一致好評。 近期更發布了超高精度皮安計模塊的增強版本 EPSH-PAM2.0EP，為終端用戶提供兩種細分的選擇，加速客戶系統設計。（后文均以PAM2.0EP來描述）。 作為皮安計模組的進階版產品，PAM2.0EP擁有更強的性能特點： PAM2.0EP優勢特點
電路設計上， ADA4530-1通過10GR跨阻后進行IV轉換，第二級則采用低噪的軌對軌零漂放大器ADA4522-1對 ADA4530輸出的電壓信號進行調理。值得一提的是，這里為方便客戶單獨使用模塊的前端，世健在ADA4522-1上加入了增益可控電路（通過低Ron的多路開關ADG1608和固定阻值搭配達到增益可控）并留有測試點TP。 后端的模數轉換器的選擇上同樣采用的是ADI經典24bit Δ-∑ ADC-AD7124，AD7124更像是一款小型采集系統，高精度的ADC內核以及內置的PAG能在靈活調整信號增益和采集的同時，還保證了低的增益誤差和較高的ENOB值。另外，AD7124的三態工作模式，非常適合需要不同功耗領域的產品應用，它的數據采集速率最大可達到19.2KSPS。 在供電端，世健采用了兩顆低噪聲高電源抑制比的LDO，LTC3260和LT1762，前者是一顆功能性超強的Charge pump加內置正負輸出型LDO的產品，可以很好的保證了運放的供電需求，后者則提供穩定的3.3V供給數字部分。
圖2 PAM2.0EP系統框圖 MCU部分采用的是Microchip ARM Cortex-M0，通過單片機內置USB端口與PC端對話。可視化的GUI界面可圈可點，用戶可以通過安裝Labview GUI軟件，在PC端通過軟件界面來實時的配置模塊上的各個功能，讓其給出信號波形、直方圖以及統計分析等，同時軟件還支持Excel數據導出，非常適合需要做長時間測試記錄的用戶。
圖3 外觀與軟件界面 PAM2.0EP模塊有者非常出色的線性度數據，不僅在常溫下測試數據優異，在全溫度范圍下的線性度表現也非常出色。 模塊的品質檢測，均采用的是Keithley 6220源表測量，每款產品都會在不同的溫度點進行多次測試，通過99個點的數據合格的情況下判定為可供出貨產品，出廠產品均會配發這99點測試報告。被測點包括： 1. 常溫25⁰C，0~100pA范圍中步進為10pA的11個數據測試點和1個底噪數據點 2. 常溫25⁰C， 0~20pA范圍中步進為1pA的21個數據測試點 3. 溫度40⁰C、55⁰C、 70⁰C、 85⁰C、 100⁰C和 115⁰C時，每個溫度點0~100pA的范圍中步進為10pA的11個數據測試點，共66個數據 在常溫25°C 時 0-100pA的I-V曲線（見圖4），線性度好于百萬分之一（0.999999x）。 0-20pA的I-V曲線（見圖5），線性度好于萬分之一（0.9999x）。
圖4 0-100pA的I-V曲線測試圖表（溫度25°C）
圖5 0-20pA的I-V線性曲線測試 （溫度25°C） 從圖6測試結果看，在每個電流輸入點，溫度對電流引起的電流峰峰偏差ΔIp-p約為1pA。用戶可以根據溫度曲線，結合現場應用進行進一步線性化處理，提供精度。 從40⁰C至115⁰C，以15⁰C為間隔的選擇了7點溫度點25⁰C, 40⁰C, 55⁰C, 70⁰C, 85⁰C, 100⁰C, 115⁰C，每個溫度點下以10pA 每步從0到100pA測試11點數。
圖6 40⁰C至115⁰C 溫度下0-100pA的I-V曲線測試圖表 世健技術支持部的高級副總裁戈一新向我們介紹道：“升級版的PAM2.0EP是針寬溫度范圍下的微弱電流檢測應用來開發的，對比之前的版本，它提升了全溫度范圍下的性能和整體可靠性，我們通過大量的實驗和測試保證了這一點。產品即使在高溫下同樣保持相當不錯的噪聲水平和線性度。我們會提供每款產品多點測試數據，希望幫助用戶節省產品開發周期。” 據悉，目前相關模塊都已在世健網店出售。 (https://www.excelchips.cn/solutions/epsh-pam2-ep.html) |
