实验室设备测量超低偏置电流的实用技巧
在要求低漏电流的应用中，请务必选择低输入偏置电流(ib)的运算放大器。应用笔记 an-1373 介绍如何使用 ada4530-1 评估板测量超低偏置电流。然而，由于飞安(fa)级电流的实际处理性质，测量环境(夹具、屏蔽、电缆、连接器等设备)也会影响测量结果。
问题:
有没有一种简单的办法来测量飞安级别的超低偏置电流?
答案:
有——只需要仔细设置。
简介
在要求低漏电流的应用中，请务必选择低输入偏置电流(ib)的运算放大器。应用笔记 an-1373 介绍如何使用 ada4530-1 评估板测量超低偏置电流。然而，由于飞安(fa)级电流的实际处理性质，测量环境(夹具、屏蔽、电缆、连接器等设备)也会影响测量结果。
本文将介绍如何尝试使用常见的商业级实验室设备、夹具和材料重现an-1373中的测量过程，并提供一些替代方案来改进测量，最终测试的偏置电流将达到50 fa。首先，我们测量用于测量偏置电流的输入电容(运放内部的等效共模输入电容)，以及125°c条件下给输入电容充电时输出电压的变化。我们还尝试根据测得的输出电压推导偏置电流值。最后，我们将尝试根据测量结果来改进测量环境。
容性集成测量
根据an-1373，为了使用容性集成测量方法，必须先测量ada4530-1的输入电容(cp)。我们将使用 ada4530-1r-ebz-buf 执行本次实验，ada4530-1配置为单位增益的缓冲器模式。
接着，我们计算输入电流(ib+)。具体来说，使用图1所示的电路配置，当测试盒中的sw从on(接地至gnd)转到off(开路)时，ib+流入cp。当ib+给cp充电时，输出电压升高，因此通过监控ib+并将其代入等式1，可以计算其值。
图1.容性集成测量方法示意图。
通过输入串联电阻测量总输入电容
为计算cp，本实验使用串联电阻法。图2显示了一个简单的电路示意图。串联电阻的值基于an-1373第6页的测量指南，实际值是rs = 8.68 mω。此外，在测试盒中安装了sw，以供稍后的实验使用(此时，sw开路)。
可以测量函数发生器的波形衰减到–3 db时的频率，并且可以使用等式2计算输入电容。
图2.使用输入串联电阻计算cp。
图3显示这一设置。在“通过已知输入电容测量ib+”部分(an-1373的第6页)描述的实验中，由于温控室中的温度提高至125°c，因此我们使用能够承受该温度的材料。rg-316u用作同轴电缆的材料。此外，评估板上ada4530-1的同相输入是三轴连接器。为此，使用三轴-同轴转换连接器(axis公司的bj-txp-
图3.cp测量设置：(a)温控室内部——所示为ada4530-1的评估板，和(b)测试盒侧的设置。
获得的测量结果是cp = 73.6 pf，这是一个相对较大的值，因为根据an-1373，实际测量值约为2 pf。其原因与测试盒(更像是测试板)到同相输入的电缆长度有关。
通过已知输入电容测量ib+
最后，我们开始测量偏置电流。电路配置如图1所示，(找元器件现货上唯样商城)安装的测试盒如图4所示。注意，移除了“通过输入串联电阻测量总输入电容”部分使用的输入电阻。如an-1373(容性集成测量方法，第7页)中所述，将sw短接至gnd，然后将其置于开路，并使用数字万用表(dmm)监控输出电压波动持续数分钟(我们使用的是keysight technologies的34401a dmm)。最后，通过将vout代入等式1，计算ib+。
图4.容性集成测量的设置。
相同条件下的三次测量结果如图5所示。图中下半部分显示了通过dmm测量的ada4530-1的输出电压波动，上半部分显示了使用等式1计算的电流值。该图显示，对于所有三个实例，测得的电压值都没有可重复性。因此，计算得到的电流值的波形也与an-1373中描述的结果不同(参见an-1373图13和14)。
图5.测量结果。下半部分显示了通过dmm测量的ada4530-1的输出电压，上半部分显示了使用等式1计算的电流值。蓝线是第一次测量，绿线是第二次测量，红线是第三次测量。
如何改进测量环境
在“容性集成测量”部分，我们根据an-1373测量了ib+，但结果有所不同。在这一部分，我们分享如何改进测量环境，从而提高测量精度。
安装屏蔽盒并缩短输入电缆
首先，我们实施了以下两项改进：
● 在恒温室内的评估板上安装了屏蔽盒(参见图6)。
● 缩短了连接到同相输入端子的同轴电缆，以减小cp(参见图7)。
图6.安装屏蔽盒。
图7.缩短同轴电缆。
第一项改进旨在减少外部噪声的影响，第二项改进是降低电缆中的小漏电流(重新计算的cp是35.2 pf)。然而，虽然采取了这些措施并重新进行了测量，但与“容性集成测量”中获得的结果类似，没有观察到可重复性。波形与预期波形显著不同。
移除测试盒
移除所用的测试盒，然后将sw改为直接短接至地和开路(参见图8)。也就是说，移除称为测试盒的电导组件，然后执行测量。因此，我们能够获得如图9所示的波形。
图8.移除测试盒后进行测量。在sw内部手动执行短路和开路操作。
图9.移除测试盒后的测量结果。蓝线、橙线和绿线是cp = 35.2 pf时的测量结果。红线是cp = 26.5 pf时的测量结果。
在所有测量中，由dmm测量的输出电压以恒定斜率升高，并达到约4.16 v。对应的电流值约为50 fa。
此外，图9中的红线显示使用更短的同轴电缆连接到同相输入端子时，重新测量的波形(cp = 26.5 pf)。电压升高的斜率与理论计算值一样大。从这些测量结果可以看出，输入侧的电导组件会对测量精度产生显著的不利影响。
结论
虽然fa级测量可在一般实验室环境中执行，但需要仔细考虑运算放大器输入侧的漏电流路径。
为了提高测量精度，建议在输入侧使用特氟龙端子模块或评估板配合使用三轴电缆。
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本文将介绍如何尝试使用常见的商业级实验室设备、夹具和材料重现an-1373中的测量过程，并提供一些替代方案来改进测量，最终测试的偏置电流将达到50 fa。首先，我们测量用于测量偏置电流的输入电容(运放内部的等效共模输入电容)，以及125°c条件下给输入电容充电时输出电压的变化。我们还尝试根据测得的输出电压推导偏置电流值。最后，我们将尝试根据测量结果来改进测量环境。
容性集成测量
根据an-1373，为了使用容性集成测量方法，必须先测量ada4530-1的输入电容(cp)。我们将使用 ada4530-1r-ebz-buf 执行本次实验，ada4530-1配置为单位增益的缓冲器模式。
接着，我们计算输入电流(ib+)。具体来说，使用图1所示的电路配置，当测试盒中的sw从on(接地至gnd)转到off(开路)时，ib+流入cp。当ib+给cp充电时，输出电压升高，因此通过监控ib+并将其代入等式1，可以计算其值。
图1.容性集成测量方法示意图。
通过输入串联电阻测量总输入电容
为计算cp，本实验使用串联电阻法。图2显示了一个简单的电路示意图。串联电阻的值基于an-1373第6页的测量指南，实际值是rs = 8.68 mω。此外，在测试盒中安装了sw，以供稍后的实验使用(此时，sw开路)。
可以测量函数发生器的波形衰减到–3 db时的频率，并且可以使用等式2计算输入电容。
图2.使用输入串联电阻计算cp。
图3显示这一设置。在“通过已知输入电容测量ib+”部分(an-1373的第6页)描述的实验中，由于温控室中的温度提高至125°c，因此我们使用能够承受该温度的材料。rg-316u用作同轴电缆的材料。此外，评估板上ada4530-1的同相输入是三轴连接器。为此，使用三轴-同轴转换连接器(axis公司的bj-txp-
图3.cp测量设置：(a)温控室内部——所示为ada4530-1的评估板，和(b)测试盒侧的设置。
获得的测量结果是cp = 73.6 pf，这是一个相对较大的值，因为根据an-1373，实际测量值约为2 pf。其原因与测试盒(更像是测试板)到同相输入的电缆长度有关。
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最后，我们开始测量偏置电流。电路配置如图1所示，(找元器件现货上唯样商城)安装的测试盒如图4所示。注意，移除了“通过输入串联电阻测量总输入电容”部分使用的输入电阻。如an-1373(容性集成测量方法，第7页)中所述，将sw短接至gnd，然后将其置于开路，并使用数字万用表(dmm)监控输出电压波动持续数分钟(我们使用的是keysight technologies的34401a dmm)。最后，通过将vout代入等式1，计算ib+。
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首先，我们实施了以下两项改进：
● 在恒温室内的评估板上安装了屏蔽盒(参见图6)。
● 缩短了连接到同相输入端子的同轴电缆，以减小cp(参见图7)。
图6.安装屏蔽盒。
图7.缩短同轴电缆。
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移除测试盒
移除所用的测试盒，然后将sw改为直接短接至地和开路(参见图8)。也就是说，移除称为测试盒的电导组件，然后执行测量。因此，我们能够获得如图9所示的波形。
图8.移除测试盒后进行测量。在sw内部手动执行短路和开路操作。
图9.移除测试盒后的测量结果。蓝线、橙线和绿线是cp = 35.2 pf时的测量结果。红线是cp = 26.5 pf时的测量结果。
在所有测量中，由dmm测量的输出电压以恒定斜率升高，并达到约4.16 v。对应的电流值约为50 fa。
此外，图9中的红线显示使用更短的同轴电缆连接到同相输入端子时，重新测量的波形(cp = 26.5 pf)。电压升高的斜率与理论计算值一样大。从这些测量结果可以看出，输入侧的电导组件会对测量精度产生显著的不利影响。
结论
虽然fa级测量可在一般实验室环境中执行，但需要仔细考虑运算放大器输入侧的漏电流路径。
为了提高测量精度，建议在输入侧使用特氟龙端子模块或评估板配合使用三轴电缆。
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