作者 Xavier Xiong

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。隨著各種儀器儀表的產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：來自運放自身的偏置電流誤差，環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系統性能的關鍵。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久不衰的經典產品。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數據手冊

以超越致敬經典，這成為了ADI人對技術的一種追求。2015年底，ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工藝實現了JFET的性能挑戰。其失調電壓最大50μV，偏置電流在?40°C 至+85°C范圍內均不超過20fA —— 高溫性能比AD549提升了幾百倍。

圖 3 摘自ADA4530-1數據手冊

圖4 ADA4530-1與AD549對比表

有了優異的器件，如何將其性能發揮出來，從系統設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分銷商Excelpoint世健挑戰難關，它的上海技術團隊在原有設計的皮安級電流計量評估套件的基礎上做了大幅度的改進，于2020年10月正式發布了可商業化的超高精度皮安計模塊 EPSH-PAM2.0 （以下簡稱PAM2.0模塊）。

世健技術支持部的高級副總裁戈一新向我們介紹道：“精心的模塊設計，嚴格的工藝制作，保證了PAM2.0模塊的性能與質量。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國內經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。在設計和生產過程中，工程師對不同供應商的10GΩ電阻進行了全方位的評估測試，從中挑選出性能優異的電阻確保模塊的性能。PAM2.0模塊簡化了電源設計，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最高輸出數據率，并提供三種功耗模式（低/中/全性能），從而讓客戶在設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。精心設計的LABVIEW GUI提供了模塊配置、實時波形顯示、直方圖和統計分析、測試數據導出成Excel文件等功能。

圖 6 系統框圖

匠心設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設計角度出發，提供給客戶快速設計原型，讓產品迅速推向市場。

據悉該模塊將會在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，并在世健網店 出售。