使用商業(yè)級實驗室設(shè)備測量超低偏置電流的實用技巧

Aoi Ueda

在需要低漏電流的應(yīng)用中，選擇低輸入偏置電流（IB） 運算放大器。應(yīng)用筆記AN-1373介紹了如何使用ADA4530-1評估板測量超低偏置電流。然而，由于處理飛安 （fA） 級電流的性質(zhì)，測量環(huán)境（夾具、屏蔽、電纜和連接器等設(shè)備）也會影響測量結(jié)果。

本文將介紹使用商用級實驗室設(shè)備、夾具和常用材料在AN-1373中重新創(chuàng)建測量的試驗，還包括一些改進測量以最終實現(xiàn)50 fA的解決方法。首先，測量偏置電流測量的輸入電容，以及在125°C條件下輸入電容充電時輸出電壓的變化。 我們還嘗試從測量的輸出電壓中得出偏置電流值。最后，我們將嘗試根據(jù)測量結(jié)果改善測量環(huán)境。

電容式積分測量

根據(jù)AN-1373，輸入電容（Cp）的測量必須首先使用電容積分測量方法。我們將使用ADA4530-1R-EBZ-BUF，并將ADA4530-1配置為緩沖模式，進行本實驗。

接下來，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(dāng)測試盒中的軟件從ON（接地至GND）變?yōu)镺FF（開路）時，IB+流入Cp.輸出電壓隨著 I 的升高而上升B+收費 Cp，所以 I 的值B+可以通過監(jiān)測并將其代入公式1來計算。

圖1.電容積分測量方法示意圖。

使用輸入串聯(lián)電阻器測量總輸入電容

計算 Cp，本實驗采用串聯(lián)電阻的方法。圖2顯示了一個簡單的電路圖。串聯(lián)電阻的值基于 AN-6 第 1373 頁上的測量指南，實際值為 Rs.軟件也安裝在測試盒中，用于以后的實驗（此時軟件處于打開狀態(tài)）。

可以測量函數(shù)發(fā)生器的波形衰減至–3 dB的頻率，并使用公式2計算輸入電容。

圖2.C 的計算p使用輸入的串聯(lián)電阻。

圖 3 顯示了設(shè)置。由于在“測量I”一節(jié)中描述的實驗中，溫控室中的溫度上升到125°CB+具有已知的輸入電容“（AN-6第1373頁），我們使用可以承受這種溫度的材料。RG-316U被用作同軸電纜的材料。此外，評估板上ADA4530-1的同相輸入為三軸連接器。因此，使用了三同軸到同軸轉(zhuǎn)換連接器（安訊士公司的 BJ-TXP-1）。在這種配置中，三同軸側(cè)的保護端子保持浮動狀態(tài)。

圖3.Cp測量設(shè)置：（a）溫控室內(nèi)（顯示ADA4530-1的評估板）和（b）測試箱側(cè)的設(shè)置。

作為測量結(jié)果，Cp= 73.6 pF，這是一個相對較大的值，因為根據(jù)AN-1373的實際測量值約為2 pF。其原因與從測試盒（看起來更像測試板）到同相輸入的電纜長度有關(guān)。

測量 IB+具有已知輸入電容

最后，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。請注意，“使用輸入串聯(lián)電阻器測量總輸入電容”一節(jié)中使用的輸入電阻已被移除。如 AN-1373（電容積分測量方法，第 7 頁）中所述，將軟件短路至 GND，然后打開它并使用數(shù)字萬用表 （DMM） 監(jiān)控輸出電壓波動幾分鐘（我們使用了是德科技的 34401A 數(shù)字萬用表）。最后，計算IB+通過替換 V外進入等式 1。

圖4.電容積分測量的設(shè)置。

在相同條件下進行三次測量的結(jié)果如圖5所示。圖下半部分顯示了數(shù)字萬用表測得的ADA4530-1的輸出電壓波動，上半部分顯示了使用公式1計算的電流值。該圖顯示，對于所有三個實例，測量的電壓值都沒有可重復(fù)性。因此，計算出的電流值的波形也與AN-1373中描述的結(jié)果具有不同的形狀（參見AN-1373圖13和14）。

圖5.測量結(jié)果。下側(cè)顯示數(shù)字萬用表測得的ADA4530-1輸出電壓，上側(cè)顯示使用公式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(huán)境

在“電容集成測量”一節(jié)中，我們測量了IB+基于 AN-1373，但結(jié)果不同。在本節(jié)中，我們將分享改善測量環(huán)境的步驟，從而提高測量的準確性。

安裝屏蔽盒并縮短輸入電纜

首先，我們進行了以下兩項改進：

在恒溫室內(nèi)的評估板上安裝了一個屏蔽盒（見圖6）。

縮短了連接到同相輸入端子的同軸電纜，以降低Cp（見圖7）。

圖6.安裝屏蔽箱。

圖7.縮短同軸電纜。

首先，我們希望減少外部噪聲的影響，其次，我們希望減少電纜中的小漏電流（重新計算的Cp為 35.2 pF）。然而，盡管采取了這些措施并重新測量了這些措施，但沒有觀察到重現(xiàn)性，類似于“電容積分測量”中獲得的結(jié)果。波形與預(yù)期的波形有很大不同。

取出測試盒

移除使用的測試盒，并通過直接短路和打開接地來更換軟件（見圖8）。換句話說，稱為測試盒的電導(dǎo)分量被移除并進行了測量。結(jié)果，我們能夠獲得如圖9所示的波形。

圖8.移除測試盒進行測量。用手代替SW進行短而開放的操作。

圖9.取出測試箱后的測量結(jié)果。藍線、橙線和綠線是 C 處的測量結(jié)果p= 35.2 pF。紅線為C時的測量結(jié)果p= 26.5 pF。

DMM 測量的輸出電壓以恒定的斜率增加，在所有測量中均達到約 4.16 V。相應(yīng)的電流顯示值約為50 fA。

此外，圖9中的紅線顯示了使用連接到同相輸入端子的較短同軸電纜（Cp= 26.5 pF）。電壓上升的斜率與理論計算一樣大。從這些測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，輸入側(cè)的電導(dǎo)分量對測量精度有明顯的不利影響。

結(jié)論

雖然fA電平測量可以在一般實驗室環(huán)境中進行，但需要仔細考慮運算放大器輸入側(cè)的漏電流路徑。

為了提高測量精度，建議在輸入側(cè)使用特氟龍接線端子或三軸電纜與評估板一起使用。

審核編輯：郭婷