在模擬的世界里，微弱電流信號的測量通常是工程師需要面對的棘手挑戰(zhàn)。隨著各種儀器儀表的產(chǎn)品性能迭代以及各種新應用的層出不窮,，對于微弱電流的測量范圍已經(jīng)從微安級（μA）提升到了皮安級（pA），提升了足足一百萬倍,。
為了測量微弱的電流，通常工程師將運放進行跨阻方式連接，見圖1所示。
圖 1 跨阻放大器
理想運算放大器的反相輸入端處于虛地,，輸入端所有電流流經(jīng)反饋電阻 R f ，因此輸出電壓Vout = R f × I d ,。
所以工程師只需要選擇一個Rf為10GΩ的電阻,，就可以將1pA的電流信號變換成10mV的電壓信號了嗎,？答案是否定的,。工程師會面臨非常多的挑戰(zhàn)：來自運放自身的偏置電流誤差,，環(huán)境溫度與濕度的變化，PCB板的泄漏電流,，輸入端與線路噪聲,，電磁干擾等等，這些都是擺在精密測量方面的難題,。
選擇一款超低偏置電流的放大器成為了工程師挑戰(zhàn)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵,。1987年，一款JFET放大器AD549橫空出世,，成為了精密電流測量應用三十年來經(jīng)久不衰的經(jīng)典產(chǎn)品,。光譜儀，氣相色譜儀,，靜電計應用中處處可見其身影,。其低至100-250fA的輸入偏置電流（圖2）以及優(yōu)異的溫漂曲線以今天的眼光來看，都是幾無對手,。
圖2 摘自AD549數(shù)據(jù)手冊
以超越致敬經(jīng)典,，這成為了ADI人對技術(shù)的一種追求。2015年底,，ADA4530-1正式亮相,。以CMOS的工藝實現(xiàn)了JFET的性能挑戰(zhàn)。其失調(diào)電壓最大50μV,，偏置電流在?40°C 至+85°C范圍內(nèi)均不超過20fA —— 高溫性能比AD549提升了幾百倍,。
圖 3 摘自ADA4530-1數(shù)據(jù)手冊
圖4 ADA4530-1與AD549對比表
有了優(yōu)異的器件，如何將其性能發(fā)揮出來,，從系統(tǒng)設(shè)計的角度去滿足皮安級電流測量的性能要求,？針對中國工程師的需求，與ADI合作三十多年的技術(shù)分銷商Excelpoint世健挑戰(zhàn)難關(guān),，它的上海技術(shù)團隊在原有設(shè)計的皮安級電流計量評估套件的基礎(chǔ)上做了大幅度的改進,，于2020年10月正式發(fā)布了可商業(yè)化的超高精度皮安計模塊 EPSH-PAM2.0 （以下簡稱PAM2.0模塊）。
世健技術(shù)支持部的高級副總裁戈一新向我們介紹道：“精心的模塊設(shè)計,，嚴格的工藝制作,，保證了PAM2.0模塊的性能與質(zhì)量。50μV（相當于5fA）的RMS底噪,，能滿足絕大部分微弱電流信號測量用戶的需求,。”
圖5 外觀與軟件界面
PAM2.0模塊采用4層板布局及FR-4 PCB板材,。工程師巧妙的采用了AD549國內(nèi)經(jīng)典的反相端懸空柱接方式,，使得FR-4板材的效果依舊可以媲美ROGERS4350板材，而成本大大降低,。PAM2.0模塊的輸入端子為SMA接口,。模塊套件包含了一根BNC轉(zhuǎn)SMA高性能屏蔽線,，便于與各種電流輸入源對接。模塊采用了雙金屬屏蔽罩降低各種噪聲和干擾,。在設(shè)計和生產(chǎn)過程中,，工程師對不同供應商的10GΩ電阻進行了全方位的評估測試，從中挑選出性能優(yōu)異的電阻確保模塊的性能,。PAM2.0模塊簡化了電源設(shè)計,，使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530-1供電。在次級信號的放大選擇上,，客戶既可以使用ADA4522-1與ADG1608的組合進行硬件電路放大,，亦可使用AD7124-4片內(nèi)PGA軟件程控放大，從而靈活的比較兩種方式的性能和成本,。ADC選擇了最新的AD7124-4, 它具有24位19.2KSPS最高輸出數(shù)據(jù)率,，并提供三種功耗模式（低/中/全性能），從而讓客戶在設(shè)計便攜式測量應用時無需更改硬件,。若客戶需要更高的采樣率ADC,，亦可從TP2端與各種ADC評估板進行對接。精心設(shè)計的LABVIEW GUI提供了模塊配置,、實時波形顯示,、直方圖和統(tǒng)計分析、測試數(shù)據(jù)導出成Excel文件等功能,。
圖 6 系統(tǒng)框圖
匠心設(shè)計的收獲是顯而易見的：使用Keithley 6220源表進行測試,，PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線測試中，線性度達到了0.9999x,；在0-100pA的測試中,，線性度達到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進行出廠線性度評估并配發(fā)85點測試報告,。
圖7 0-100pA 21點I-V線性度測試圖
這款超高精度皮安計模塊旨在從系統(tǒng)設(shè)計角度出發(fā),，提供給客戶快速設(shè)計原型，讓產(chǎn)品迅速推向市場,。
據(jù)悉該模塊將會在11月16-18日,，于上海新國際博覽中心的慕尼黑上海分析生化展上展出，并在世健網(wǎng)店(www.excelchips.cn) 出售,。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應商,，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計及供應鏈管理服務,。
世健與供應商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢作出定位，并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當中,。集團分別在新加坡,、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心，專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計可應用于工業(yè),、無線通信及消費電子等領(lǐng)域,。
世健是新加坡的主板上市公司，總部設(shè)于新加坡,，擁有約750名員工,，業(yè)務范圍已擴展至亞太區(qū)40多個城市和地區(qū)，遍及新加坡,、馬來西亞,、泰國、越南,、中國,、印度、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個國家,。世健集團在2018年的年營業(yè)額超過12億5千萬美元。世健于1993年開始發(fā)展中國業(yè)務,，中國區(qū)總部設(shè)于香港,，并擁有11個分公司及辦事處、研發(fā)中心及物流中心,，業(yè)務遍及中國多個城市和地區(qū),。