【實(shí)用技巧】如何使用商業(yè)級實(shí)驗室設(shè)備測量超低偏置電流

問題：

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(xì)設(shè)置。

簡介

在要求低漏電流的應(yīng)用中，請務(wù)必選擇低輸入偏置電流(IB)的運(yùn)算放大器。盡管“應(yīng)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(shí)際處理性質(zhì)，測量環(huán)境（夾具、屏蔽、電纜、連接器等設(shè)備）也會影響測量結(jié)果。

本文將介紹ADI如何嘗試使用常見的商業(yè)級實(shí)驗室設(shè)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(jìn)測量，最終測試的偏置電流將達(dá)到50fA。首先，測量用于測量偏置電流的輸入電容（運(yùn)放內(nèi)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(jù)測得的輸出電壓推導(dǎo)偏置電流值。最后，將嘗試根據(jù)測量結(jié)果來改進(jìn)測量環(huán)境。

容性集成測量

根據(jù)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(Cp)。本次實(shí)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(IB+)。具體來說，使用圖1所示的電路配置，當(dāng)測試盒中的SW從ON（接地至GND）轉(zhuǎn)到OFF（開路）時，IB+流入C_p。當(dāng)IB+給C_p充電時，輸出電壓升高，因此通過監(jiān)控IB+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(shí)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(shí)際值是Rs = 8.68 MΩ。此外，在測試盒中安裝了SW，以供稍后的實(shí)驗使用（此時，SW開路）。 

可以測量函數(shù)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(shè)置。在“通過已知輸入電容測量IB+”部分（AN-1373的第6頁）描述的實(shí)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(zhuǎn)換連接器（Axis公司的BJ-TXP-1）被采用。在該配置中，三軸側(cè)的保護(hù)端口保持浮空。

圖3 C_p測量設(shè)置：(a)溫控室內(nèi)部——所示為ADA4530-1的評估板和(b)測試盒側(cè)的設(shè)置

獲得的測量結(jié)果是C_p=73.6pF，這是一個相對較大的值，因為根據(jù)AN-1373，實(shí)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(guān)。

通過已知輸入電容測量IB+

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(shù)字萬用表(DMM)監(jiān)控輸出電壓波動持續(xù)數(shù)分鐘（此處使用的是Keysight Technologies的34401A DMM）。最后，通過將VOUT代入等式1，計算IB+。

圖4 容性集成測量的設(shè)置

相同條件下的三次測量結(jié)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(shí)例，測得的電壓值都沒有可重復(fù)性。因此，計算得到的電流值波形也與AN-1373中描述的結(jié)果不同（參見AN-1373圖13和14）。

圖5 測量結(jié)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(lán)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(jìn)測量環(huán)境

在“容性集成測量”部分，根據(jù)AN-1373測量了IB+，但結(jié)果有所不同。接下來會分享如何改進(jìn)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(shí)施以下兩項改進(jìn)：

■   在恒溫室內(nèi)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Cp（參見圖7）。

圖7 縮短同軸電纜

第一項改進(jìn)旨在減少外部噪聲的影響，第二項改進(jìn)是降低電纜中的小漏電流（重新計算的Cp是35.2pF）。然而，雖然采取了這些措施并重新進(jìn)行了測量，但與“容性集成測量”中獲得的結(jié)果類似，沒有觀察到可重復(fù)性。波形與預(yù)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(dǎo)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(jìn)行測量。在SW內(nèi)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(jié)果：藍(lán)線、橙線和綠線是C_p=35.2pF時的測量結(jié)果。紅線是C_p=26.5pF時的測量結(jié)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(dá)到約4.16V。對應(yīng)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(jié)果可以看出，輸入側(cè)的電導(dǎo)組件會對測量精度產(chǎn)生顯著的不利影響。

結(jié)論

雖然fA級測量可在一般實(shí)驗室環(huán)境中執(zhí)行，但需要仔細(xì)考慮運(yùn)算放大器輸入側(cè)的漏電流路徑。為了提高測量精度，建議在輸入側(cè)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(shù)建議。