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。
圖1：容性整合測量方法示意圖。
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。
圖2：使用輸入串聯電阻計算Cp。
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。
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+。
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13和14)。
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)。
圖6：安裝遮罩盒。
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。
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。
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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