量子级别的超低电流如何测量？超强方案分享给你

对于所有与“电”相关的设备而言，电流是永远离不开的一个参数。电流的计量单位是 A（安倍），它定义为 1 秒内通过横截面的电荷量为 1 库仑（6.241×10^18 个电子的电荷量）时，电流大小为 1A。在常见的生活电器中，电流常以 A、mA（10-3）、μA（10-6）计，使用电笔或者万用表就能轻松测量对应参数并进行调试。

然而，但随着科技的进步，设备越来越精密化，对于超微弱电流的测量的需求也不断涌现，nA（10-9）、fA（10-15）级别的电流也变得常见起来，例如光电效应的测试――光照在光电发射材料上会打出电子，如何对这些电子进行观察？




测量微弱电流，运算放大器是关键
在前面提到的光电效应观测中，所产生电子以个数计，面对如此微弱的电流，常规的测量方案就无能为力了。在一般的微弱电流检测仪中，通常会采用一个 I-V 电路对输入的微弱电流信号进行转换放大，从而获得待测微弱电流的信号大小。在此电路中，最为核心的器件就是用于调理信号的运算放大器，它的精度决定了测试仪的灵敏度。而要满足此时的超低电流测量要求，就需要选取一个高输入阻抗、极低输入偏置电流的运算放大器作为前置放大器。这样可以防止运算放大器的输入偏置电流信号对输入的微弱电流信号造成分流，影响电路检测的精度。

ADI 推出的静电计运算放大器 ADA4530-1 能够满足这样的要求，它的典型偏置电流为 0.1fA，这相当于每秒 624 个电子。此放大器外形紧凑，确保化学分析仪器可在更广泛的温度范围内实现最高精度和数据可重复性，从而降低总体物料成本和设计尺寸。ADA4530-1 运算放大器的成功之处在于其偏置电流极低，为竞争产品的二十分之一，甚至更低。如此之低的偏置电流使得 ADA4530-1 成为连接对输出负载敏感的传感器（如光电二极管）以及精度监测 / 分析设备中常用的其他高输出阻抗传感器的理想选择，例如分光光度计、色谱仪、质谱仪，以及恒电位和恒电流库伦分析测量设备。这款放大器还可用作皮安计和库仑计测量系统的前端放大器，光电二极管、电离室和工作电极测量的跨阻放大器，或化学和电容传感器的高阻抗缓冲器。

温度为 25℃时，ADA4530-1 的典型输入偏置电流<1 fA，如此超低电流甚至无法通过任何仪表准确测量。例如，Keithley 6430 SourceMeter? 的失调电流在 1 pA 量程下最低为 7fA。因此，要测量 IB，需要加热 DUT 以增大输入偏置电流，使其达到可测量的值。根据数据手册规格，温度为 125℃时可测量到的最大 IB 值为±250fA。




即使在较为苛刻的使用环境中，ADA4530-1 运算放大器也能满足较低的输入偏置电流需求，它的工作温度可从 -40℃到 125℃。在 125 摄氏度时，ADA4530-1 的输入偏置电流为 250 fA，在 85℃时降至 20 fA，如此低的偏置电流在超低电流测试中具有极大的性能优势。此外，ADA4530-1 是唯一一款能够在室温至 85℃范围内都能一直保持相同的 20 fA 输入偏置电流的运算放大器，能在室温至 125℃范围内通过全面偏置电流生产测试偏置电流会妨碍系统设计人员充分发挥传感器的灵敏性，因为他们需要为偏置电流的较大变化范围预留一些防护频带。

ADA4530-1 具有片内防护缓冲器，可以追踪输入共模电压并提供输出，用以驱动 PCB 保护环或互连的屏蔽体，目的是减少传感器和放大器之间敏感连接器中杂散电容的影响。从而简化了传感器接口设计，客户无需再为所需输出驱动器设计单独的电路，这样可以减少设计时间、节省成本和 PCB 空间。ADA4530-1 还提供了低失调电压，低失调漂移以及要求低漏电的应用所需的低电压和电流噪声。为了使系统的动态范围最大化，ADA4530-1 具有一个轨至轨输出级，通常可在 10kΩ负载下驱动至电源轨的 30 mV 以内。

基于 ADA4530-1 的超低电流测试电路设计要点
超低电流测量常用到静电计，又叫电势差计或指针验电器，在中学静电实验中常用的半定量测量仪器也是此类产品，静电计可以用来检验物体所带电荷的种类并且测量电量。静电计可以具有电压表、电流表、欧姆表、库仑计功能，要实现精确测量的静电计电路这类高灵敏度检测器需要精密信号链以支持极低的检测水平，通常具有超高输入阻抗 （通常在 100TΩ以上或高达 10PΩ），以及超低输入失调电流 （小于 50fA 或低至 50aA），采用跨阻放大器用于电流测量。

设计超高灵敏度飞安计电路无疑是极具挑战的任务。测量信号时，测量电平必须高于噪声，低电平测量要求我们更靠近阴影区域， 需要采取特殊措施才能获得精确结果。




ADI 给出了现成的电路模块和电路原理图如下图所示，此超高灵敏度飞安电流测量平台允许直接连接应用环境中的传感器，可以通过 SMA 连接器与光电二极管、法拉第筒等传感器直接连接，实现<10fA 灵敏度，10GW 跨阻和 500pA 测量范围。该模块采用飞安输入偏置运算放大器 ADA4530-1 以及 24 位分辨率 ADC AD7172-2，以及利用数字隔离器 ADuM3151 实现隔离。




事实上，完整的设计过程复杂而具有挑战性。总体而言，为实现高灵敏度电流测量，必须使输出误差最小并使 SNR 最大：为使输出误差最小，需要使用低 IB 和低漂移的高精度放大器；为使 SNR 最大，要求精心选择增益器件。此外，设计低电流测量硬件需要考虑一些独特的问题，例如板漏电、污染、湿气、电介质吸收、线缆等可能会带来相当大的测量误差，运用最佳的保护、屏蔽、清洁 / 搬运方法，使用适当的板 / 焊接材料和布线来降低误差。




总结
在操作测量逐渐精密化的现在，ADI 推出的运算放大器 ADA4530-1 采用 CMOS 工艺，能够实现最高 4000V 的 ESD 以及 20fA 级别的偏置电流，可广泛应用在化学分析、环境监控、过程控制等仪器上，如气相色谱仪、定便器、火焰离子化检测器、光谱议等，可以确保完成高灵敏度、低误差的超低电流测量。

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