使用商業級實驗室設備測量超低偏置電流

作者 : Aoi Ueda ,ADI現場應用工程師

本文介紹如何嘗試使用常見的商業級實驗室設備、夾具和材料,重現AN-1373中的測量過程,並提供一些替代方案來改善測量,最終測試的偏置電流將達到50fA...

問題:有沒有一種簡單的辦法可用於測量飛安(fA)級超低偏置電流?
答案:有——只需要仔細設定。

在要求低漏電流的應用中,請務必選擇低輸入偏置電流(IB)的運算放大器(OP)。應用筆記 AN-1373中介紹如何使用ADA4530-1評估板測量超低偏置電流。然而,由於飛安培(fA)級電流的實際處理性質,測量環境(夾具、遮罩、電纜、連接器等設備)也會影響測量結果。

本文介紹如何嘗試使用常見的商業級實驗室設備、夾具和材料,重現AN-1373中的測量過程,並提供一些替代方案來改善測量,最終測試的偏置電流將達到50fA。首先,我們測量用於測量偏置電流的輸入電容(OP內部的等效共模輸入電容),以及125°C條件下為輸入電容充電時輸出電壓的變化。並嘗試根據測得的輸出電壓推導偏置電流值。最後,將嘗試根據測量結果來改善測量環境。

容性整合測量

根據AN-1373,為了使用容性整合測量方法,必須先測量ADA4530-1的輸入電容(Cp)。我們將使用 ADA4530-1R-EBZ-BUF 執行本次實驗,ADA4530-1配置為單位增益的緩衝器模式。

接著,我們計算輸入電流(IB+)。具體來說,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 (開路)時,IB+流入Cp。當IB+給Cp充電時,輸出電壓升高,因此透過監控IB+並將其代入等式1,可以計算其值。

Figure 1. A diagram of the capacitive integration measurement method.

圖1:容性整合測量方法示意圖。

Equation 1

透過輸入串聯電阻測量總輸入電容

為計算Cp,本實驗使用串聯電阻法。圖2顯示一個簡單的電路示意圖。串聯電阻的值基於AN-1373第6頁的測量指南,實際值是Rs = 8.68MΩ。此外,在測試盒中安裝了SW,以供稍後的實驗使用(此時,SW開路)。

可以測量函數產生器的波形衰減到–3dB時的頻率,並且可以使用等式2計算輸入電容。

Figure 2. Calculation of Cp using series resistance of input.

圖2:使用輸入串聯電阻計算CpEquation 2

圖3顯示這一設定。在「透過已知輸入電容測量IB+」部份(AN-1373的第6頁)描述的實驗中,由於溫控室中的溫度提升至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-同軸轉換連接器(Axis公司的BJ-TXP-1)。在該配置中,三軸側的保護埠保持浮空。

Figure 3. C<sub>p</sub> measurement setup: (a) inside the temperature-controlled chamber—the evaluation board of ADA4530-1 is shown—and (b) setup of the test box side.

圖3:Cp測量設定:(a)溫控室內部——所示為ADA4530-1的評估板,和(b)測試盒側的設定。

獲得的測量結果是Cp = 73.6pF,這是一個相對較大的值,因為根據AN-1373,實際測量值約為2pF。其原因與測試盒(更像是測試板)到同相輸入的電纜長度有關。

透過已知輸入電容測量IB+

最後,我們開始測量偏置電流。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「透過輸入串聯電阻測量總輸入電容」部份使用的輸入電阻。如AN-1373 (容性整合測量方法,第7頁)中所述,將SW短接至GND,然後將其置於開路,並使用數位萬用表(DMM)監控輸出電壓波動持續數分鐘(在此使用Keysight Technologies的34401A DMM)。最後,透過將VOUT代入等式1,計算IB+

Figure 4. Setup of the capacitive integration measurement.

圖4:容性整合測量的設定。

相同條件下的三次測量結果如圖5所示。圖中下半部份顯示了透過DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓波動,上半部份顯示了使用等式1計算的電流值。該圖顯示,對於所有三個實例,測得的電壓值都沒有可重複性。因此,計算得到的電流值的波形也與AN-1373中描述的結果不同(參見AN-1373圖1314)。

Figure 5. Measurement results. The lower side shows the output voltage of ADA4530-1 measured by the DMM, and the upper side shows the current value calculated using Equation 1. The blue line is the first measurement, the green line is the second measurement, and the red line is the third measurement.

圖5:測量結果。下半部份顯示了透過DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓,上半部份顯示了使用等式1計算的電流值。藍線是第一次測量,綠線是第二次測量,紅線是第三次測量。

如何改善測量環境

在「容性整合測量」部份,我們根據AN-1373測量了IB+,但結果有所不同。這一部份將分享如何改善測量環境,從而提升測量精度。

安裝遮罩盒並縮短輸入電纜

首先,我們進行了以下兩項改良:

  • 在恆溫室內的評估板上安裝了遮罩盒(參見圖6)。
  • 縮短了連接到同相輸入端子的同軸電纜,以減小Cp (參見圖7)。Figure 6. Installing the shield box.

圖6:安裝遮罩盒。

Figure 7. Shortening the coaxial cable.

圖7:縮短同軸電纜。

第一項改良目的在減少外部雜訊的影響,第二項改良是降低電纜中的小漏電流(重新計算的Cp是35.2pF)。然而,雖然採取了這些措施並重新進行了測量,但與「容性整合測量」中獲得的結果類似,沒有觀察到可重複性。波形與預期波形明顯不同。

移除測試盒

移除所用的測試盒,然後將SW改為直接短接至地和開路(參見圖8)。也就是說,移除稱為測試盒的電導元件,然後執行測量。因此,我們能夠獲得如圖9所示的波形。

Figure 8. Measurement with test box removed. Short and open operation by hand instead of the SW.

圖8:移除測試盒後進行測量。在SW內部手動執行短路和開路操作。

Figure 9. Measurement results after removing the test box. The blue, orange, and green lines are measurement results at C<sub>p</sub> = 35.2 pF. The red line is the measurement result when C<sub>p</sub> = 26.5 pF.

圖9:移除測試盒後的測量結果。藍線、橙線和綠線是Cp = 35.2pF時的測量結果。紅線是Cp = 26.5pF時的測量結果。

在所有測量中,由DMM測量的輸出電壓以恆定斜率升高,並達到約4.16V。對應的電流值約為50fA。

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,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,輸入側的電導元件會對測量精度產生明顯的不利影響。

結論

雖然fA級測量可在一般實驗室環境中執行,但需要仔細考慮運算放大器輸入側的漏電流路徑。

為了提升測量精度,建議在輸入側使用特氟龍端子模組或評估板配合使用三軸電纜。

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