Introduzione
Nelle applicazioni che richiedono una bassa corrente di dispersione, è importante selezionare un amplificatore operazionale con una bassa corrente di polarizzazione in ingresso (IB). La nota applicativa AN-1373 spiega come misurare una corrente di polarizzazione estremamente bassa utilizzando la scheda di valutazione ADA4530-1. Tuttavia, quando si ha a che fare con correnti dell'ordine dei femtoampere (fA), anche l'ambiente di misurazione (dispositivi, schermatura, cavi e connettori, tra gli altri) influisce sui risultati.
Questo articolo presenta una configurazione che ricrea la misurazione AN-1373 utilizzando apparecchiature, dispositivi e materiali di laboratorio disponibili in commercio e offre anche alcune soluzioni per migliorare la misurazione al fine di raggiungere 50 fA. In primo luogo, misuriamo la capacità di ingresso per determinare la corrente di polarizzazione e la variazione della tensione di uscita con la capacità di ingresso caricata a 125 °C. Cerchiamo anche di ottenere il valore della corrente di polarizzazione dalla tensione di uscita misurata. Infine, abbiamo cercato di migliorare l'ambiente di misurazione sulla base dei risultati ottenuti.
Misurazione dell'integrazione capacitiva
Secondo la norma AN-1373, la capacità di ingresso (Cp) dell'ADA4530-1 deve essere misurata per prima per poter utilizzare il metodo di misurazione dell'integrazione della capacità. Eseguiremo questo esperimento utilizzando l'ADA4530-1R-EBZ-BUF con l'ADA4530-1 configurato in modalità buffer.
Successivamente, calcoleremo la corrente di ingresso (IB+). Nello specifico, utilizzando la configurazione del circuito mostrata in Figura 1, quando l'interruttore nella scatola di prova passa da ON (a massa) a OFF (aperto), IB+ fluisce in Cp. La tensione di uscita aumenta man mano che IB+ carica Cp, quindi il valore di IB+ può essere calcolato monitorandolo e sostituendolo nell'Equazione 1.
Figura 1. Diagramma del metodo di misurazione dell'integrazione capacitiva.
Misurazione della capacità di ingresso totale con una resistenza in serie in ingresso
Per calcolare Cp, questo esperimento utilizza un metodo con una resistenza in serie in ingresso. La Figura 2 mostra uno schema circuitale semplificato. Il valore della resistenza in serie si basa sulle linee guida di misurazione a pagina 6 della norma AN-1373 e il valore effettivo è Rs = 8,68 MΩ. Sulla scatola di prova è inoltre montato un interruttore per esperimenti successivi (attualmente l'interruttore è aperto).
È possibile misurare la frequenza alla quale la forma d'onda del generatore di funzioni si attenua a -3 dB e calcolare la capacità di ingresso utilizzando l'equazione 2.
Figura 2. Calcolo di Cp con una resistenza in serie di ingresso.
La Figura 3 mostra la configurazione. Poiché la temperatura nella camera a temperatura controllata sale a 125 °C nell'esperimento descritto nella sezione "Come misurare IB+ con una capacità di ingresso nota" (pagina 6 della norma AN-1373), abbiamo utilizzato materiali in grado di resistere a questa temperatura. Per il cavo coassiale è stato utilizzato il cavo RG-316U. Inoltre, gli ingressi non invertenti dell'ADA4530-1 sulla scheda di valutazione sono connettori triassiali. Per questo motivo, è stato utilizzato un connettore di conversione da triassiale a coassiale (BJ-TXP-1 di Axis Company). In questa configurazione, il terminale di protezione è stato lasciato flottante sul lato triassiale.
La misurazione ha prodotto un valore di Cp = 73,6 pF, un valore relativamente elevato considerando che la misurazione effettiva, secondo AN-1373, è di circa 2 pF. La ragione di ciò è legata alla lunghezza del cavo tra la scatola di prova, che assomiglia a una scheda di test, e l'ingresso non invertente.
Come misurare IB+ con una capacità di ingresso nota
Infine, iniziamo a misurare la corrente di polarizzazione. La configurazione del circuito è mostrata in Figura 1 e la scatola di prova è mostrata in Figura 4. Si noti che la resistenza di ingresso utilizzata nella sezione "Misurazione della capacità di ingresso totale con una resistenza di ingresso in serie" è stata eliminata. Come spiegato in AN-1373 (il metodo di misurazione dell'integrazione capacitiva, pagina 7), l'interruttore viene cortocircuitato a massa, quindi aperto e la fluttuazione della tensione di uscita viene monitorata con un multimetro digitale per alcuni minuti (abbiamo utilizzato il Keysight Technologies 34401A). Infine, calcoliamo IB+ sostituendo VOUT nell'Equazione 1.
I risultati delle tre misurazioni effettuate nelle stesse condizioni sono mostrati in Figura 5. La parte inferiore della figura mostra la fluttuazione della tensione di uscita dell'ADA4530-1 misurata con il multimetro digitale, mentre la parte superiore mostra il valore della corrente calcolato utilizzando l'Equazione 1. La figura dimostra che in tutti e tre i casi i valori di tensione misurati non sono ripetibili. Pertanto, anche la forma d'onda del valore di corrente calcolato differisce dal risultato descritto nella norma AN-1373.
Figura 4. Configurazione di misurazione dell'integrazione capacitiva.
Figura 5. Risultati della misurazione. La parte inferiore mostra la tensione di uscita dell'ADA4530-1 misurata dal multimetro digitale, mentre la parte superiore mostra il valore della corrente calcolato utilizzando l'equazione 1. La linea blu rappresenta la prima misurazione, la linea verde la seconda e la linea rossa la terza.
Come migliorare l'ambiente di misurazione
Nella sezione "Misurazione dell'integrazione capacitiva", abbiamo misurato IB+ utilizzando AN-1373 come riferimento, ma i risultati differivano. In questa sezione, descriviamo i passaggi per migliorare l'ambiente di misurazione e, di conseguenza, l'accuratezza delle misurazioni.
Installazione di un contenitore schermato e accorciamento del cavo di ingresso
Innanzitutto, abbiamo apportato questi due miglioramenti:
• È stato installato un contenitore schermato sulla scheda di valutazione all'interno della camera termostatica (vedere Figura 6).
• Il cavo coassiale collegato al terminale di ingresso non invertente è stato accorciato per ridurre Cp (vedere Figura 7).
Il primo miglioramento aveva lo scopo di ridurre l'effetto del rumore esterno, e il secondo di ridurre la piccola corrente di dispersione nel cavo (il Cp ricalcolato è 35,2 pF). Tuttavia, sebbene queste misurazioni siano state effettuate e ripetute, non è stata osservata la riproducibilità, analogamente ai risultati ottenuti in "Misurazione dell'integrazione capacitiva". Le forme d'onda differivano significativamente dai valori attesi.
Figura 6. Installazione del contenitore schermato.
Rimozione della scatola di prova:
La scatola di prova è stata rimossa e l'interruttore è stato modificato cortocircuitando e aprendo direttamente la connessione di terra (vedere Figura 8). In altre parole, il componente di conduttanza chiamato scatola di prova è stato rimosso ed è stata effettuata la misurazione. Di conseguenza, siamo stati in grado di ottenere la forma d'onda mostrata in Figura 9.
La tensione di uscita misurata dal multimetro digitale è aumentata seguendo una pendenza costante e ha raggiunto circa 4,16 V in tutte le misurazioni. La corrente corrispondente indica un valore di circa 50 fA.
Figura 7. Accorciamento del cavo coassiale.
Figura 8. Misurazione dopo la rimozione della scatola di prova. Il cortocircuito e l'apertura del circuito vengono eseguiti manualmente, non tramite l'interruttore.
Inoltre, la linea rossa nella Figura 9 mostra la forma d'onda della nuova misurazione con un cavo coassiale più corto collegato al terminale di ingresso non invertente (Cp = 26,5 pF). L'aumento della pendenza della tensione è pari a quello calcolato teoricamente. Da questi risultati di misurazione si può osservare che la componente di conduttanza nello stadio di ingresso ha un effetto negativo significativo sulla precisione della misurazione.
Figura 9. Risultati della misurazione dopo la rimozione della scatola di prova. Le linee blu, arancione e verde rappresentano i risultati della misurazione a Cp = 35,2 pF. La linea rossa rappresenta il risultato della misurazione quando Cp = 26,5 pF.
Conclusione:
Sebbene la misurazione a livello di fA possa essere eseguita in un ambiente di laboratorio generico, è necessario prestare particolare attenzione al percorso della corrente di dispersione nello stadio di ingresso dell'amplificatore operazionale.
Per migliorare la precisione della misurazione, si raccomanda di utilizzare una striscia di Teflon nello stadio di ingresso o un cavo triassiale in combinazione con la scheda di valutazione.
Ringraziamenti:
L'autore desidera ringraziare Scott Hunt, Iku Nagai e Jun Kakinuma per la loro consulenza tecnica.
Riferimento:
Wong, Vicky. "AN-1373 Application Note: ADA4530-1 Femtoampere Level Input Bias Current Measurement." Analog Devices, Inc., ottobre 2015.
Informazioni sull'autore
Aoi Ueda è entrata a far parte di Analog Devices Japan (ADKK) nel 2021 come Field Applications Engineer nel gruppo Instrumentation. Ha conseguito un Master in Ingegneria presso il Nara Institute of Science and Technology (2021) e una laurea in Scienze presso il National Institute of Technology della Nara University (2019). È un'idol otaku giapponese. Il suo indirizzo email è
