世界今亮點！【實用技巧】如何使用商業(yè)級實驗室設備測量超低偏置電流

作者：ADI現(xiàn)場應用工程師Aoi Ueda

問題：

(資料圖)

有沒有一種簡單的辦法來測量飛安級別的超低偏置電流？

答案：

有——只需要仔細設置。

簡介

在要求低漏電流的應用中，請務必選擇低輸入偏置電流(I_B)的運算放大器。盡管“應用筆記AN-1373”中曾介紹了如何使用ADA4530-1評估板測量超低偏置電流。然而，由于飛安(fA)級電流的實際處理性質，測量環(huán)境（夾具、屏蔽、電纜、連接器等設備）也會影響測量結果。

本文將介紹ADI如何嘗試使用常見的商業(yè)級實驗室設備、夾具和材料重現(xiàn)AN-1373中的測量過程，并提供一些替代方案來改進測量，最終測試的偏置電流將達到50fA。首先，測量用于測量偏置電流的輸入電容（運放內部的等效共模輸入電容），以及125°C條件下給輸入電容充電時輸出電壓的變化。其次，嘗試根據測得的輸出電壓推導偏置電流值。最后，將嘗試根據測量結果來改進測量環(huán)境。

容性集成測量

根據AN-1373，為了使用容性集成測量方法，必須先測量ADA4530-1的輸入電容(C_p)。本次實驗將使用ADA4530-1R-EBZ-BUF來執(zhí)行，ADA4530-1配置為單位增益的緩沖器模式。

接著，計算輸入電流(I_B+)。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，I_B+流入C_p。當I_B+給C_p充電時，輸出電壓升高，因此通過監(jiān)控I_B+并將其代入等式1，可以計算其值。

圖1.容性集成測量方法示意圖

通過輸入串聯(lián)電阻測量總輸入電容

為計算C_p，本實驗使用串聯(lián)電阻法。圖2顯示了一個簡單的電路示意圖。串聯(lián)電阻的值基于AN-1373第6頁的測量指南，實際值是R_s= 8.68 MΩ。此外，在測試盒中安裝了SW，以供稍后的實驗使用（此時，SW開路）。

可以測量函數發(fā)生器的波形衰減到-3dB時的頻率，并且可以使用等式2計算輸入電容。

圖2.使用輸入串聯(lián)電阻計算C_p

圖3顯示了這一設置。在“通過已知輸入電容測量I_B+”部分（AN-1373的第6頁）描述的實驗中，由于溫控室中的溫度提高至125°C，因此需使用能夠承受該溫度的材料。如將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，三軸-同軸轉換連接器（Axis公司的BJ-TXP-1）被采用。在該配置中，三軸側的保護端口保持浮空。

圖3.C_p測量設置：(a)溫控室內部——所示為ADA4530-1的評估板和(b)測試盒側的設置

獲得的測量結果是C_p= 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。

通過已知輸入電容測量I_B+

下面開始測量偏置電流。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“通過輸入串聯(lián)電阻測量總輸入電容”部分使用的輸入電阻。如AN-1373（容性集成測量方法，第7頁）中所述，將SW短接至GND，然后將其置于開路，并使用數字萬用表(DMM)監(jiān)控輸出電壓波動持續(xù)數分鐘（此處使用的是Keysight Technologies的34401A DMM）。最后，通過將V_OUT代入等式1，計算I_B+。

圖4.容性集成測量的設置

相同條件下的三次測量結果如圖5所示。圖中下半部分顯示了通過DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓波動，上半部分顯示了使用等式1計算的電流值。該圖顯示，對于所有三個實例，測得的電壓值都沒有可重復性。因此，計算得到的電流值波形也與AN-1373中描述的結果不同（參見AN-1373圖13和14）。

圖5.測量結果：下半部分顯示了通過DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓，上半部分顯示了使用等式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。

如何改進測量環(huán)境

In the section “Capacitive Integration Measurement,” we measured I_B+based on the AN-1373, but the results differed. In this section, we share the steps to improve the measurement environment and thus, the accuracy of the measurements.

在“容性集成測量”部分，根據AN-1373測量了I_B+，但結果有所不同。接下來會分享如何改進測量環(huán)境，從而提高測量精度。

安裝屏蔽盒并縮短輸入電纜

首先，可實施以下兩項改進：

在恒溫室內的評估板上安裝了屏蔽盒（參見圖6）。

圖6.安裝屏蔽盒

縮短了連接到同相輸入端子的同軸電纜，以減小C_p（參見圖7）。

圖7.縮短同軸電纜

第一項改進旨在減少外部噪聲的影響，第二項改進是降低電纜中的小漏電流（重新計算的C_p是35.2pF）。然而，雖然采取了這些措施并重新進行了測量，但與“容性集成測量”中獲得的結果類似，沒有觀察到可重復性。波形與預期波形顯著不同。

移除測試盒

移除所用的測試盒，然后將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組件，然后執(zhí)行測量。因此，能夠獲得如圖9所示的波形。

圖8.移除測試盒后進行測量。在SW內部手動執(zhí)行短路和開路操作。

圖9.移除測試盒后的測量結果：藍線、橙線和綠線是C_p= 35.2pF時的測量結果。紅線是C_p= 26.5pF時的測量結果。

在所有測量中，由DMM測量的輸出電壓以恒定斜率升高，并達到約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(C_p= 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，輸入側的電導組件會對測量精度產生顯著的不利影響。

結論

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

為了提高測量精度，建議在輸入側使用特氟龍端子模塊或評估板配合使用三軸電纜。

致謝

作者在此衷心感謝Scott Hunt、Iku Nagai和Jun Kakinuma提供的技術建議。

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關于作者

Aoi Ueda于2021年加入ADI公司日本子公司(ADKK)，擔任儀器儀表部門的現(xiàn)場應用工程師。他于2021年和2019年分別獲得奈良先端科學技術大學院大學的工程碩士學位和奈良工業(yè)高等專門學校的學士學位。他是一名日本偶像御宅族。

關鍵詞： 測量結果 輸入電容 輸出電壓 偏置電流 串聯(lián)電阻