【實用技巧】如何使用商業級實驗室設備測量超低偏置電流

問題：

有沒有一種簡單的辦法來測量飛安級別的超低偏置電流？

答案：

有——只需要仔細設置。

簡介

在要求低漏電流的應用中，請務必選擇低輸入偏置電流(IB)的運算放大器。盡管“應用筆記AN-1373”中曾介紹了如何使用ADA4530-1評估板測量超低偏置電流。然而，由于飛安(fA)級電流的實際處理性質，測量環境（夾具、屏蔽、電纜、連接器等設備）也會影響測量結果。

本文將介紹ADI如何嘗試使用常見的商業級實驗室設備、夾具和材料重現AN-1373中的測量過程，并提供一些替代方案來改進測量，最終測試的偏置電流將達到50fA。首先，測量用于測量偏置電流的輸入電容（運放內部的等效共模輸入電容），以及125°C條件下給輸入電容充電時輸出電壓的變化。其次，嘗試根據測得的輸出電壓推導偏置電流值。最后，將嘗試根據測量結果來改進測量環境。

容性集成測量

根據AN-1373，為了使用容性集成測量方法，必須先測量ADA4530-1的輸入電容(Cp)。本次實驗將使用ADA4530-1R-EBZ-BUF來執行，ADA4530-1配置為單位增益的緩沖器模式。

接著，計算輸入電流(IB+)。具體來說，使用圖1所示的電路配置，當測試盒中的SW從ON（接地至GND）轉到OFF（開路）時，IB+流入C_p。當IB+給C_p充電時，輸出電壓升高，因此通過監控IB+并將其代入等式1，可以計算其值。

圖1 容性集成測量方法示意圖

通過輸入串聯電阻測量總輸入電容

為計算C_p，本實驗使用串聯電阻法。圖2顯示了一個簡單的電路示意圖。串聯電阻的值基于AN-1373第6頁的測量指南，實際值是Rs = 8.68 MΩ。此外，在測試盒中安裝了SW，以供稍后的實驗使用（此時，SW開路）。 

可以測量函數發生器的波形衰減到-3dB時的頻率，并且可以使用等式2計算輸入電容。

圖2 使用輸入串聯電阻計算C_p

圖3顯示了這一設置。在“通過已知輸入電容測量IB+”部分（AN-1373的第6頁）描述的實驗中，由于溫控室中的溫度提高至125°C，因此需使用能夠承受該溫度的材料。如將RG-316U用作同軸電纜的材料。此外，評估板上ADA4530-1的同相輸入是三軸連接器。為此，三軸-同軸轉換連接器（Axis公司的BJ-TXP-1）被采用。在該配置中，三軸側的保護端口保持浮空。

圖3 C_p測量設置：(a)溫控室內部——所示為ADA4530-1的評估板和(b)測試盒側的設置

獲得的測量結果是C_p=73.6pF，這是一個相對較大的值，因為根據AN-1373，實際測量值約為2pF。其原因與測試盒（更像是測試板）到同相輸入的電纜長度有關。

通過已知輸入電容測量IB+

下面開始測量偏置電流。電路配置如圖1所示，安裝的測試盒如圖4所示。注意，移除了“通過輸入串聯電阻測量總輸入電容”部分使用的輸入電阻。如AN-1373（容性集成測量方法，第7頁）中所述，將SW短接至GND，然后將其置于開路，并使用數字萬用表(DMM)監控輸出電壓波動持續數分鐘（此處使用的是Keysight Technologies的34401A DMM）。最后，通過將VOUT代入等式1，計算IB+。

圖4 容性集成測量的設置

相同條件下的三次測量結果如圖5所示。圖中下半部分顯示了通過DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓波動，上半部分顯示了使用等式1計算的電流值。該圖顯示，對于所有三個實例，測得的電壓值都沒有可重復性。因此，計算得到的電流值波形也與AN-1373中描述的結果不同（參見AN-1373圖13和14）。

圖5 測量結果：下半部分顯示了通過DMM測量的ADA4530-1的輸出電壓，上半部分顯示了使用等式1計算的電流值。藍線是第一次測量，綠線是第二次測量，紅線是第三次測量

如何改進測量環境

在“容性集成測量”部分，根據AN-1373測量了IB+，但結果有所不同。接下來會分享如何改進測量環境，從而提高測量精度。

安裝屏蔽盒并縮短輸入電纜

首先，可實施以下兩項改進：

■   在恒溫室內的評估板上安裝了屏蔽盒（參見圖6）。

圖6 安裝屏蔽盒

■   縮短了連接到同相輸入端子的同軸電纜，以減小Cp（參見圖7）。

圖7 縮短同軸電纜

第一項改進旨在減少外部噪聲的影響，第二項改進是降低電纜中的小漏電流（重新計算的Cp是35.2pF）。然而，雖然采取了這些措施并重新進行了測量，但與“容性集成測量”中獲得的結果類似，沒有觀察到可重復性。波形與預期波形顯著不同。

移除測試盒

移除所用的測試盒，然后將SW改為直接短接至地和開路（參見圖8）。也就是說，移除稱為測試盒的電導組件，然后執行測量。因此，能夠獲得如圖9所示的波形。

圖8 移除測試盒后進行測量。在SW內部手動執行短路和開路操作

圖9 移除測試盒后的測量結果：藍線、橙線和綠線是C_p=35.2pF時的測量結果。紅線是C_p=26.5pF時的測量結果

在所有測量中，由DMM測量的輸出電壓以恒定斜率升高，并達到約4.16V。對應的電流值約為50fA。

此外，圖9中的紅線顯示使用更短的同軸電纜連接到同相輸入端子時，重新測量的波形(Cp = 26.5pF)。電壓升高的斜率與理論計算值一樣大。從這些測量結果可以看出，輸入側的電導組件會對測量精度產生顯著的不利影響。

結論

雖然fA級測量可在一般實驗室環境中執行，但需要仔細考慮運算放大器輸入側的漏電流路徑。為了提高測量精度，建議在輸入側使用特氟龍端子模塊或評估板配合使用三軸電纜。

致謝

作者在此衷心感謝Scott Hunt、Iku Nagai和Jun Kakinuma提供的技術建議。