世健推出增強版超寬溫度范圍、高精度皮安計模塊
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準確的弱電信號測量是各種科學(xué)分析設備、環(huán)境監測和過(guò)程控制的關(guān)鍵環(huán)節之一，尤其是當弱電信號達到pA甚至fA水平時(shí)。 如何測量微弱信號？這向來(lái)是各大儀器廠(chǎng)商津津樂(lè )道的話(huà)題。如何設計檢測微弱電流的產(chǎn)品？這對設計者來(lái)說(shuō)也是巨大的挑戰。
本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202104/424287.htm一直以來(lái)，基于A(yíng)DI的JFET放大器AD549芯片方案在微弱電流采樣的前端扮演著(zhù)主力中堅的角色，在儀器儀表行業(yè)持續橫行了30多年，經(jīng)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(zhù)科技的進(jìn)步，ADI基于新型CMOS工藝，通過(guò)DigiTrim?技術(shù)革新，在2015年發(fā)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(shí)，還擁有更低的失調電壓，更優(yōu)良的溫漂特性，以及更高的環(huán)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(fā)現即使是高溫的情況下，ADA4530依舊有著(zhù)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(shí)際在應用上增加了設計者的難度。由于A(yíng)D549是DIP封裝，用戶(hù)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(xiàn)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(huì )產(chǎn)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(shù)型分銷(xiāo)商Excelpoint世健上海技術(shù)團隊，從ADA4530芯片預發(fā)布起就開(kāi)始對其進(jìn)行針對性的研究和技術(shù)積累?；谌绾瓮ㄟ^(guò)良好的設計全面發(fā)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(fā)，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(hù)的一致好評。 近期更發(fā)布了超高精度皮安計模塊的增強版本 EPSH-PAM2.0EP，為終端用戶(hù)提供兩種細分的選擇，加速客戶(hù)系統設計。（后文均以PAM2.0EP來(lái)描述）。
作為皮安計模組的進(jìn)階版產(chǎn)品，PAM2.0EP擁有更強的性能特點(diǎn)：
PAM2.0EP優(yōu)勢特點(diǎn) | ||
更強的對外絕緣能力 | 利用多年的設計研究經(jīng)驗，優(yōu)選SMA接口和PCB板材，PCB設計采用的是4層板布局及FR-4 PCB板材，利用良好的物理懸空結構設計，大大增加了PCB對外的絕緣阻值 | |
更強的對外屏蔽能力和通用性 | 采用的雙金屬屏蔽罩，有效的降低來(lái)自外界的干擾 （套件中還提供了一根高性能屏蔽線(xiàn)用于BNC轉SMA，便于與各種電流輸入源對接） | |
極高的數據線(xiàn)性度 | 產(chǎn)品擁有超高的線(xiàn)性度，并在溫度范圍內也能得到良好的線(xiàn)性保障 | |
超低噪聲 | 相比之前的模塊，擁有更低的噪聲系數以及超低的本體底噪 | |
高性?xún)r(jià)比 | 采用Ohmite低溫漂高精度的10G電阻 | |
更寬溫度范圍下的產(chǎn)品的性能保障 | 常溫到115?C溫度范圍內進(jìn)行99個(gè)點(diǎn)的數據測試保障 每個(gè)皮安計模塊都經(jīng)過(guò)較為嚴格的加工工藝及85?C 8小時(shí)的老化 (模塊工作溫度范圍為-35?C to +115?C） | |
電路設計上， ADA4530-1通過(guò)10GR跨阻后進(jìn)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(jìn)行調理。值得一提的是，這里為方便客戶(hù)單獨使用模塊的前端，世健在A(yíng)DA4522-1上加入了增益可控電路（通過(guò)低Ron的多路開(kāi)關(guān)ADG1608和固定阻值搭配達到增益可控）并留有測試點(diǎn)TP。
后端的模數轉換器的選擇上同樣采用的是ADI經(jīng)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(shí)，還保證了低的增益誤差和較高的ENOB值。另外，AD7124的三態(tài)工作模式，非常適合需要不同功耗領(lǐng)域的產(chǎn)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(chǎn)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(guò)單片機內置USB端口與PC端對話(huà)?？梢暬腉UI界面可圈可點(diǎn)，用戶(hù)可以通過(guò)安裝Labview GUI軟件，在PC端通過(guò)軟件界面來(lái)實(shí)時(shí)的配置模塊上的各個(gè)功能，讓其給出信號波形、直方圖以及統計分析等，同時(shí)軟件還支持Excel數據導出，非常適合需要做長(cháng)時(shí)間測試記錄的用戶(hù)。
圖3 外觀(guān)與軟件界面
PAM2.0EP模塊有者非常出色的線(xiàn)性度數據，不僅在常溫下測試數據優(yōu)異，在全溫度范圍下的線(xiàn)性度表現也非常出色。
模塊的品質(zhì)檢測，均采用的是Keithley 6220源表測量，每款產(chǎn)品都會(huì )在不同的溫度點(diǎn)進(jìn)行多次測試，通過(guò)99個(gè)點(diǎn)的數據合格的情況下判定為可供出貨產(chǎn)品，出廠(chǎng)產(chǎn)品均會(huì )配發(fā)這99點(diǎn)測試報告。被測點(diǎn)包括：
1.常溫25?C，0~100pA范圍中步進(jìn)為10pA的11個(gè)數據測試點(diǎn)和1個(gè)底噪數據點(diǎn)
2.常溫25?C， 0~20pA范圍中步進(jìn)為1pA的21個(gè)數據測試點(diǎn)
3.溫度40?C、55?C、 70?C、 85?C、 100?C和 115?C時(shí)，每個(gè)溫度點(diǎn)0~100pA的范圍中步進(jìn)為10pA的11個(gè)數據測試點(diǎn)，共66個(gè)數據
在常溫25°C 時(shí)
0-100pA的I-V曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4），線(xiàn)性度好于百萬(wàn)分之一（0.999999x）。
0-20pA的I-V曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5），線(xiàn)性度好于萬(wàn)分之一（0.9999x）。
圖4 0-100pA的I-V曲線(xiàn)測試圖表（溫度25°C）
圖5 0-20pA的I-V線(xiàn)性曲線(xiàn)測試 （溫度25°C）
從圖6測試結果看，在每個(gè)電流輸入點(diǎn)，溫度對電流引起的電流峰峰偏差ΔIp-p約為1pA。用戶(hù)可以根據溫度曲線(xiàn)，結合現場(chǎng)應用進(jìn)行進(jìn)一步線(xiàn)性化處理，提供精度。
從40?C至115?C，以15?C為間隔的選擇了7點(diǎn)溫度點(diǎn)25?C, 40?C, 55?C, 70?C, 85?C, 100?C, 115?C，每個(gè)溫度點(diǎn)下以10pA 每步從0到100pA測試11點(diǎn)數。
圖6 40?C至115?C 溫度下0-100pA的I-V曲線(xiàn)測試圖表
世健技術(shù)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(lái)開(kāi)發(fā)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(guò)大量的實(shí)驗和測試保證了這一點(diǎn)。產(chǎn)品即使在高溫下同樣保持相當不錯的噪聲水平和線(xiàn)性度。我們會(huì )提供每款產(chǎn)品多點(diǎn)測試數據，希望幫助用戶(hù)節省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期?！?/p>
據悉，目前相關(guān)模塊都已在世健網(wǎng)店出售。
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