以超越致敬經(jīng)典 :世健超高精度皮安計模塊 EPSH-PAM2.0正式上線(xiàn)

在模擬的世界里，微弱電流信號的測量通常是工程師需要面對的棘手挑戰。隨著(zhù)各種儀器儀表的產(chǎn)品性能迭代以及各種新應用的層出不窮，對于微弱電流的測量范圍已經(jīng)從微安級（μA）提升到了皮安級（pA），提升了足足一百萬(wàn)倍。

為了測量微弱的電流，通常工程師將運放進(jìn)行跨阻方式連接，見(jiàn)圖1所示。

圖 1 跨阻放大器

理想運算放大器的反相輸入端處于虛地，輸入端所有電流流經(jīng)反饋電阻R_f ，因此輸出電壓V_out = R_f×I_d。

所以工程師只需要選擇一個(gè)R_f為10GΩ的電阻，就可以將1pA的電流信號變換成10mV的電壓信號了嗎？答案是否定的。工程師會(huì )面臨非常多的挑戰：來(lái)自運放自身的偏置電流誤差，環(huán)境溫度與濕度的變化，PCB板的泄漏電流，輸入端與線(xiàn)路噪聲，電磁干擾等等，這些都是擺在精密測量方面的難題。

選擇一款超低偏置電流的放大器成為了工程師挑戰系統性能的關(guān)鍵。1987年，一款JFET放大器AD549橫空出世，成為了精密電流測量應用三十年來(lái)經(jīng)久不衰的經(jīng)典產(chǎn)品。光譜儀，氣相色譜儀，靜電計應用中處處可見(jiàn)其身影。其低至100-250fA的輸入偏置電流（圖2）以及優(yōu)異的溫漂曲線(xiàn)以今天的眼光來(lái)看，都是幾無(wú)對手。

圖2 摘自AD549數據手冊

以超越致敬經(jīng)典，這成為了ADI人對技術(shù)的一種追求。2015年底，ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工藝實(shí)現了JFET的性能挑戰。其失調電壓最大50μV，偏置電流在?40°C 至+85°C范圍內均不超過(guò)20fA ——  高溫性能比AD549提升了幾百倍。

圖3  摘自ADA4530-1數據手冊

圖4 ADA4530-1與AD549對比表

有了優(yōu)異的器件，如何將其性能發(fā)揮出來(lái)，從系統設計的角度去滿(mǎn)足皮安級電流測量的性能要求？針對中國工程師的需求，與ADI合作三十多年的技術(shù)分銷(xiāo)商Excelpoint世健挑戰難關(guān)，它的上海技術(shù)團隊在原有設計的皮安級電流計量評估套件的基礎上做了大幅度的改進(jìn)，于2020年10月正式發(fā)布了可商業(yè)化的超高精度皮安計模塊 EPSH-PAM2.0 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)PAM2.0模塊）。

世健技術(shù)支持部的高級副總裁戈一新向我們介紹道：“精心的模塊設計，嚴格的工藝制作，保證了PAM2.0模塊的性能與質(zhì)量。50μV（相當于5fA）的RMS底噪，能滿(mǎn)足絕大部分微弱電流信號測量用戶(hù)的需求?！?/p>

圖5 外觀(guān)與軟件界面

PAM2.0模塊采用4層板布局及FR-4 PCB板材。工程師巧妙的采用了AD549國內經(jīng)典的反相端懸空柱接方式，使得FR-4板材的效果依舊可以媲美ROGERS4350板材，而成本大大降低。PAM2.0模塊的輸入端子為SMA接口。模塊套件包含了一根BNC轉SMA高性能屏蔽線(xiàn)，便于與各種電流輸入源對接。模塊采用了雙金屬屏蔽罩降低各種噪聲和干擾。在設計和生產(chǎn)過(guò)程中，工程師對不同供應商的10GΩ電阻進(jìn)行了全方位的評估測試，從中挑選出性能優(yōu)異的電阻確保模塊的性能。PAM2.0模塊簡(jiǎn)化了電源設計，使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530-1供電。在次級信號的放大選擇上，客戶(hù)既可以使用ADA4522-1與ADG1608的組合進(jìn)行硬件電路放大，亦可使用AD7124-4片內PGA軟件程控放大，從而靈活的比較兩種方式的性能和成本。ADC選擇了最新的AD7124-4, 它具有24位19.2KSPS最高輸出數據率，并提供三種功耗模式（低/中/全性能），從而讓客戶(hù)在設計便攜式測量應用時(shí)無(wú)需更改硬件。若客戶(hù)需要更高的采樣率ADC，亦可從TP2端與各種ADC評估板進(jìn)行對接。精心設計的LABVIEW GUI提供了模塊配置、實(shí)時(shí)波形顯示、直方圖和統計分析、測試數據導出成Excel文件等功能。

圖6 系統框圖

匠心設計的收獲是顯而易見(jiàn)的：使用Keithley 6220源表進(jìn)行測試，PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線(xiàn)測試中，線(xiàn)性度達到了0.9999x；在0-100pA的測試中，線(xiàn)性度達到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進(jìn)行出廠(chǎng)線(xiàn)性度評估并配發(fā)85點(diǎn)測試報告。

圖7  0-100pA 21點(diǎn)I-V線(xiàn)性度測試圖

這款超高精度皮安計模塊旨在從系統設計角度出發(fā)，提供給客戶(hù)快速設計原型，讓產(chǎn)品迅速推向市場(chǎng)。

據悉該模塊將會(huì )在11月16-18日，于上海新國際博覽中心的慕尼黑上海分析生化展上展出，并在世健網(wǎng)店出售。