從毫安到微安再到皮安，随着電子(zǐ)技術(場資shù)的發展，以及市場對于低功耗的需求，電子(zǐ)設備的電流水平有往小發城做展的趨勢，比如(rú)手機電池待機電流（10−3 A）、光電二極管暗電流（10−12 A）、OLED的像素電流（10−12 A）等。而如(rú)何精确測量出微弱電流，則成了一道避不開的難題。為穿過這片章器“無人區”，測量出pA等級的電流，我們必須踏入少為小數點後15位（fA等級）的世界。然而，這片了無嗎得人煙的區域并不是那麼好踏足，路(lù)上的荊棘羁絆是難事火免的，需克服重重挑戰才能成功到達終點。
多重挑戰
首先要考慮的便是測量中(zhōng)的偏置電流問(wè一亮n)題。當輸入端開路(lù)時，理想電流計的讀數應當為零。然而，實際的笑你電流計在輸入端開路(lù)時有一些小的電流。這些電流是由有舊對源器(qì)件的偏置電流以及流過儀器(qì)内部的絕緣材料的洩漏電流所引玩兒起的。
試想一下(xià)，待測電流小到1pA，而構成電流計什生的器(qì)件之一—運算放大器(qì)的偏置電流卻達到100pA，我麗話們還能愉快地測出待測電流大小嗎？當然不行信但，因為信号（待測電流）已被誤差電流（偏置電流）掩蓋，除非我在我們能将偏置電流控制在fA水平。
偏置電流滿足了是不是就可(kě)以了？不，這錯風隻是萬裡長征中(zhōng)的第一步。接下(xià)來要考慮的問(wè木筆n)題還很多，包括很多設計上，工藝上的細節都會對測量結果造成很大下木的影響。比如(rú)噪聲、電介質吸收、洩漏電流、絕緣、屏蔽、PCB材料，甚至什數電纜等。這些問(wèn)題我們在設計中(zhōng)如(看數rú)何避免呢(ne)？
圖1：pA級電流測量所面臨的挑戰
應對方案
高靈敏度檢測器(qì)需要精密信号鍊以支持極低的檢測量時秒程。雖然面臨的挑戰諸多，但我們有應對方案。技術(shù)型分器站銷商(shāng)Excelpoint世健公司的呢暗工程師(shī) Kayden Wang介明月紹了ADI解決方案--超高靈敏度飛安測量平台，并且針對綠火設計過程中(zhōng)面臨的挑戰進行了解答。
超高靈敏度飛安測量平台方案
此方案非常适合化學分析儀和(hé)實驗室級儀器(q光制ì)使用，其需要超高靈敏度模拟前端來對光電器動二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器(qì)進行信号調理。可(kě)鐘見以使用該解決方案的應用包括質譜分析、色譜分析和(hé)庫侖分析等。
► 方案特點
• <10fA靈敏度，10GΩ跨阻
• 500pA測量範圍
• 屏蔽
• 利用ADuM3151隔離(lí)
• 飛安輸入偏置電流運算放大器(qì)A房有DA4530-1
• 24位分辨率ADC AD7172-身訊2
• 利用USB接口通(tōng)過SDP連接PC
• 簡單的電源：9VDC輸入， ADP7118、AD外是P2442、ADP7182
• 測量同步
• 觸發輸入/輸出信号
圖2：超高靈敏度飛安測量平台方案框圖
圖3：飛安測量系統功能框圖
此方案中(zhōng)，其中(zhōng)一個(gè)重要的考服業量點便是低偏置電流運算放大器(qì)的選擇。相對于常規運放，方案中近靜(zhōng)使用的放大器(qì)ADA4謝件530-1是一款fA (10−15 A)級輸入偏置電流運國裡算放大器(qì)，集成式保護環緩沖器(qì)用但湖于隔離(lí)輸入引腳以防受到印刷電路(lù)船喝闆(PCB) 漏電流的影響，而且能減少(shǎo腦音)電路(lù)闆元件數。相比于同類競争器(qì)件，輸入偏置電流低4秒快5倍，直流精度提高10倍。除了适用于此方案中(zhōng)的跨阻放拿錢大器(qì)，也可(kě)用于化學傳感器(國公qì)和(hé)電容傳感器(qì)的高阻抗緩沖器(q化房ì)。
圖4：ADA4530-1主要優勢
設計中(zhōng)的挑戰
我們在設計中(zhōng)需考慮可(kě)能影響測量結果的多個(g雜都è)因素，才能最大程度地發揮器(qì)件的優越性能，達到設計指标要求。
1）保護的設計
一般做法是用另一導體将高阻抗節點包圍起來，并将導體著器驅動(dòng)到保護電壓（等于或接近高阻抗節點電位金關），這樣就不會有電流流經絕緣電阻，并且更好的布局産生更好的美少性能，性能随時間和(hé)環境條件的變化越小。
► 保護環
保護表面洩漏
去除保護環/走線上的焊罩/絲網
避免吸潮
需要由與輸入端等電位的放大器(qì)（如(rú)緩沖器(qì)購子）驅動(dòng)
► 保護層
保護PCB主體
► 過孔防護
保護側面漏電流路(lù)徑
高源阻抗和(hé)低誤差要求會對絕緣電阻提出不切實際的高要還海求。ADA4530-1的保護技術(shù)可(kě)将此類要求降低到合草近理水平。其原理是用另一種驅動(dòng)到相姐書同電位的導體（保護環）包圍高阻抗導體。如(rú計制)果（高阻抗導體與保護環之間的）絕緣電阻上沒綠路有電壓，那麼就不會有任何電流流經其中(zhōng)。ADA4530-1内訊間部使用保護技術(shù)，集成了超高性能的身東保護環緩沖器(qì)。此緩沖器(qì)的輸出可(k通和ě)供外部使用，以便簡化電路(lù)級的保護實現。為了顯示保護的實施方式藍物，電壓緩沖器(qì)電路(lù)（參見圖6）經過場服修改。該模型中(zhōng)增加了一個(gè)導體(VGRD)，它将高阻抗 (對秒A) 節點與不同電壓的低阻抗 (B) 節點完全隔開。絕緣電阻用兩個那森(gè)電阻來模拟：A導體與保護導體之間的所有絕緣電阻 (RSHUNT1)，以問玩及保護導體與B導體之間的所有絕緣電阻(RS說在HUNT2)。然後，ADA4530-1保護環緩沖器(qì)将此保護動視導體（通(tōng)過引腳2和(hé)引腳7）驅動(dòng)到A端電壓。若又還A節點和(hé)VGRD節點的電壓完全相同，就不靜文會有電流流經絕緣電阻RSHUNT1。
圖5：保護環及保護層的實現參考
圖6：保護實現原理示例
2）屏蔽的設計
• 屏蔽有助于讓雜散場遠(yuǎn)離(lí)敏感節點，可(kě)以采取屏蔽對生盒的方式
• 操作員能接觸到的屏蔽應接地以确保安全
圖7：常見屏蔽方式
3）污染源處理
污染源容易形成弱電池，将該污染電池連接在TIA電路(林離lù)的A端和(hé)B端，可(kě)得到裡窗一個(gè)簡化模型（參見圖8）。A端和(hé)B端均被驅動(d畫話òng)到相同電壓，産生一個(gè)誤差電流(IBAT T)，因為輸出電阻上存中不在一個(gè)等于電池開路(lù)電壓的壓降，如(rú)下(xi聽醫à)式所示：IBATT = VBATT ÷ RBATT。此電靜一池電流流過反饋電阻，在反饋電阻上與電路(lù)雪答中(zhōng)的信号電流和(hé)其他誤差電流合并對測量精度造藍民成影響。一般要注意以下(xià)幾種污染源機長的影響：
• 焊劑殘留
• 塵土(tǔ)和(hé)其他顆粒狀堆積
• 灰塵
• 體油
• 含鹽潮氣
圖8：污染源對電路(lù)精度的影響
對此，世健工程師(shī)給出以下(xi是我à)幾點建議：
• 裝配後清洗/清潔PCB
• 潮氣會降低PCB和(hé)電纜的絕緣性
選擇合适的材料并在受控環境中(鐵小zhōng)測量
清洗後烘烤以消除吸收的濕氣
• 不要使用免清潔型焊膏
4）電介質吸收
介電弛豫（也稱為介電吸收到服或浸潤）是所有絕緣材料都有的特性，它會限制需要建立到數老的fA水平的靜電計電路(lù)性能。常用的PCB薄片是工業(yè)标準FR-4玻是藍璃環氧樹(shù)脂。測量結果如(rú)圖9所示。玻璃環氧樹(年慢shù)脂薄片需要1小時才能将介電弛豫電流耗散到10 fA以下(xià)。懂坐這表明，玻璃環氧樹(shù)脂薄片不适合用于高性能靜電計電近哥路(lù)。
圖9：玻璃環氧樹(shù)脂介電弛豫性能
考慮的另一種PCB薄片是Rogers 4350B。Rogers 市了4350B是一種設計用于射頻/微波電路(lù)的陶話學瓷薄片。Rogers 4350B兼容标準PCB生産技術鐘做(shù)，使用廣泛。Rogers 4350B材料的測暗個量結果如(rú)圖10所示。該材料在不到20秒時間内，便可(kě)将介電弛豫文視電流耗散到1fA以下(xià)。
圖10：Rogers 4350B介電弛豫性能
鑒于其性能出色， Kayden建議，在最高拿低性能應用中(zhōng)，将Rogers 4350B薄片配合ADA4530吧快-1使用。ADA4530-1的所有關(guān)鍵特性測量都是利用R站湖ogers 4350B進行。
同時根據世健的支持經驗，建議PCB加工工藝：
• 四層闆，成品闆厚約1.5mm
• 闆材：1/2層，3/4層為rogers自女 4350B, 厚度10mil；2/3層為FR408或Ro雪開ger 4450（注意不是普通(tōng)的FR-4闆材）們請。
• 銅箔厚度：内層1oz，外層1.5oz
• 阻焊：雙面，綠色
• 字符：雙面，白色
• 過孔：雙面露環
• 表面沉金處理
5）電纜和(hé)連接器(qì)
• 最佳：使用三同軸電纜
有一根額外的内部導線來保護信号
• 隻要中(zhōng)心導線與屏蔽體之間的電位差非常小，BNC、SM線醫A和(hé)同軸電纜是可(kě)行的
某些RF材料(PTFE)具有良好的低漏電、低DA窗秒屬性
總結
總體上，此類應用中(zhōng)pA級電流的測量還事相對其他量程電流測量，無論是從設計還是工藝上有很多需要考量的地方，參照冷刀此推薦方案和(hé)設計要點可(kě)以大大縮短(duǎn)研發周期，助費影力我們順利穿過pA等級電流測量的無人區。
