Введение.
В приложениях, требующих низкого тока утечки, важно выбрать операционный усилитель с низким входным током смещения (НП). В примечании к применению AN-1373 объясняется, как измерить сверхнизкий ток смещения с помощью оценочной платы ADA4530-1. Однако при работе с токами фемтоамперного (фА) уровня условия измерения (устройства, экранирование, кабели и разъемы, среди прочего) также влияют на результаты измерения.
В этой статье представлена установка, которая воспроизводит измерение AN-1373 с использованием коммерчески доступного лабораторного оборудования, устройств и материалов, а также предлагаются некоторые решения для улучшения измерения до достижения 50 фА. Во-первых, мы измеряем входную емкость для определения тока смещения и изменения выходного напряжения в зависимости от входной емкости, нагруженной при 125 °C. Мы также пытаемся получить значение тока смещения из измеренного выходного напряжения. Наконец, мы попытались улучшить условия измерения на основе полученных результатов.
Измерение емкостной интеграции.
Согласно AN-1373, для использования метода измерения интегральной емкости необходимо сначала измерить входную емкость (Cp) микросхемы ADA4530-1. Мы проведем этот эксперимент, используя микросхему ADA4530-1R-EBZ-BUF, сконфигурированную в буферном режиме.
Затем мы рассчитаем входной ток (IB+). В частности, используя схему, показанную на рисунке 1, когда переключатель в тестовом блоке переходит из состояния ВКЛ (заземлен) в состояние ВЫКЛ (разомкнут), ток IB+ поступает в Cp. Выходное напряжение увеличивается по мере того, как IB+ заряжает Cp, поэтому значение IB+ можно рассчитать, отслеживая его и подставляя в уравнение 1.
Рисунок 1. Схема метода измерения емкостной интеграции.
Измерение общей входной емкости с помощью последовательного входного резистора.
Для расчета Cp в этом эксперименте используется метод с последовательным входным резистором. На рисунке 2 показана упрощенная схема. Значение последовательного сопротивления основано на рекомендациях по измерениям на странице 6 AN-1373, и фактическое значение составляет Rs = 8,68 МОм. На тестовом блоке также установлен переключатель для последующих экспериментов (в данный момент переключатель разомкнут).
Можно измерить частоту, на которой форма сигнала генератора функций затухает до -3 дБ, а входную емкость можно рассчитать с помощью уравнения 2.
Рисунок 2. Расчет Cp с входным последовательным сопротивлением.
На рисунке 3 показана установка. Поскольку температура в терморегулируемой камере повышается до 125°C в эксперименте, описанном в разделе «Как измерить IB+ с известной входной емкостью» (страница 6 AN-1373), мы использовали материалы, способные выдерживать эту температуру. Для коаксиального кабеля использовался RG-316U. Кроме того, неинвертирующие входы ADA4530-1 на оценочной плате представляют собой трехжильные разъемы. По этой причине был использован преобразователь триаксиального сигнала в коаксиальный (BJ-TXP-1 от компании Axis). В этой конфигурации защитный вывод оставался незадействованным на триаксиальной стороне.
Измерения показали Cp = 73,6 пФ, что является относительно большим значением, учитывая, что фактическое измерение, согласно AN-1373, составляет приблизительно 2 пФ. Причина этого связана с длиной кабеля между тестовым блоком, который напоминает тестовую плату, и неинвертирующим входом.
Как измерить IB+ с известной входной емкостью.
Наконец, начнем измерение тока смещения. Схема показана на рисунке 1, а тестовый блок — на рисунке 4. Обратите внимание, что входной резистор, использованный в разделе «Измерение общей входной емкости с помощью последовательного входного резистора», был исключен. Как объяснено в AN-1373 (метод измерения емкостной интеграции, стр. 7), переключатель замыкается на землю, затем размыкается, и колебания выходного напряжения контролируются цифровым мультиметром в течение нескольких минут (мы использовали Keysight Technologies 34401A). Наконец, мы вычисляем IB+, подставляя VOUT в уравнение 1.
Результаты трех измерений в одинаковых условиях показаны на рисунке 5. В нижней части рисунка показаны колебания выходного напряжения ADA4530-1, измеренные цифровым мультиметром, а в верхней части — значение тока, рассчитанное по уравнению 1. Рисунок демонстрирует, что во всех трех случаях измеренные значения напряжения не воспроизводятся. Следовательно, форма сигнала рассчитанного значения тока также отличается от результата, описанного в АН-1373.
Рисунок 4. Схема установки для измерения емкостной интеграции.
Рисунок 5. Результаты измерений. В нижней части показано выходное напряжение ADA4530-1, измеренное цифровым мультиметром, а в верхней части — значение тока, рассчитанное по уравнению 1. Синяя линия — первое измерение, зеленая линия — второе измерение, а красная линия — третье измерение.
Как улучшить условия измерения
В разделе «Измерение емкостной интеграции» мы измерили IB+, используя AN-1373 в качестве эталона, но результаты отличались. В этом разделе мы описываем шаги по улучшению условий измерения и, следовательно, точности измерений.
Установка экранированного корпуса и укорачивание входного кабеля
Сначала мы внесли два улучшения:
• Экранированный корпус был установлен на оценочной плате внутри термостатической камеры (см. рис. 6).
• Коаксиальный кабель, подключенный к неинвертирующему входному терминалу, был укорочен для уменьшения Cp (см. рис. 7).
Первое улучшение было направлено на уменьшение влияния внешнего шума, а второе — на уменьшение небольшого тока утечки в кабеле (пересчитанное значение Cp составляет 35,2 пФ). Однако, несмотря на то, что эти измерения были проведены и повторены, воспроизводимость не наблюдалась, аналогично результатам, полученным в разделе «Измерение емкостной интеграции». Формы сигналов значительно отличались от ожидаемых значений.
Рисунок 6. Установка экранированного корпуса.
Удаление тестового блока:
Тестовый блок был удален, а переключатель был заменен путем замыкания и прямого размыкания заземляющего соединения (см. рис. 8). Другими словами, проводящий компонент, называемый тестовым блоком, был удален, и было проведено измерение. В результате мы смогли получить осциллограмму, показанную на рисунке 9.
Выходное напряжение, измеренное цифровым мультиметром, увеличивалось по постоянному наклону и достигало приблизительно 4,16 В во всех измерениях. Соответствующий ток показывает значение приблизительно 50 фА.
Рисунок 7. Укорачивание коаксиального кабеля.
Рисунок 8. Измерение после удаления тестового блока. Замыкание накоротко и размыкание цепи выполняется вручную, а не с помощью выключателя.
Кроме того, красная линия на рисунке 9 показывает форму сигнала нового измерения с более коротким коаксиальным кабелем, подключенным к неинвертирующему входному терминалу (Cp = 26,5 пФ). Увеличение наклона напряжения соответствует теоретическому расчету. Из этих результатов измерений можно заметить, что составляющая проводимости во входном каскаде оказывает существенное негативное влияние на точность измерения.
Рисунок 9. Результаты измерений после удаления тестового блока. Синяя, оранжевая и зеленая линии — результаты измерений при Cp = 35,2 пФ. Красная линия — результат измерения при Cp = 26,5 пФ.
Заключение:
Хотя измерение уровня фемтоампер может быть выполнено в обычных лабораторных условиях, особое внимание следует уделить пути тока утечки во входном каскаде операционного усилителя.
Для повышения точности измерения рекомендуется использовать тефлоновую полоску во входном каскаде или трехжильный кабель в сочетании с оценочной платой.
Благодарности:
Автор выражает благодарность Скотту Ханту, Ику Нагаи и Джуну Какинуме за их технические консультации.
Ссылка:
Вонг, Вики. «Примечание к применению AN-1373: ADA4530-1 Измерение входного тока смещения на уровне фемтоампер». Analog Devices, Inc., октябрь 2015 г.
Об авторе
Аои Уэда присоединилась к Analog Devices Japan (ADKK) в 2021 году в качестве инженера по применению продукции в группе приборостроения. Она имеет степень магистра технических наук, полученную в Нарском институте науки и технологий (2021), и степень бакалавра наук, полученную в Национальном технологическом институте Нарского университета (2019). Она является японской поклонницей аниме и манги. Ее адрес электронной почты:
