【实用技巧】如何使用商业级实验室设备测量超低偏置电流

问题：
有没有一种简单的办法来测量飞安级别的超低偏置电流？

答案：
有——只需要仔细设置。

简介
在要求低漏电流的应用中，请务必选择低输入偏置电流(IB)的运算放大器。尽管“应用笔记AN-1373”中曾介绍了如何使用ADA4530-1评估板测量超低偏置电流。然而，由于飞安(fA)级电流的实际处理性质，测量环境（夹具、屏蔽、电缆、连接器等设备）也会影响测量结果。

本文将介绍ADI如何尝试使用常见的商业级实验室设备、夹具和材料重现AN-1373中的测量过程，并提供一些替代方案来改进测量，最终测试的偏置电流将达到50fA。首先，测量用于测量偏置电流的输入电容（运放内部的等效共模输入电容），以及125°C条件下给输入电容充电时输出电压的变化。其次，尝试根据测得的输出电压推导偏置电流值。最后，将尝试根据测量结果来改进测量环境。

容性集成测量
根据AN-1373，为了使用容性集成测量方法，必须先测量ADA4530-1的输入电容(Cp)。本次实验将使用ADA4530-1R-EBZ-BUF来执行，ADA4530-1配置为单位增益的缓冲器模式。

接着，计算输入电流(IB+)。具体来说，使用图1所示的电路配置，当测试盒中的SW从ON（接地至GND）转到OFF（开路）时，IB+流入Cp。当IB+给Cp充电时，输出电压升高，因此通过监控IB+并将其代入等式1，可以计算其值。

图1.容性集成测量方法示意图

 
通过输入串联电阻测量总输入电容
为计算Cp，本实验使用串联电阻法。图2显示了一个简单的电路示意图。串联电阻的值基于AN-1373第6页的测量指南，实际值是Rs = 8.68 MΩ。此外，在测试盒中安装了SW，以供稍后的实验使用（此时，SW开路）。

可以测量函数发生器的波形衰减到-3dB时的频率，并且可以使用等式2计算输入电容。

图2.使用输入串联电阻计算Cp

图3显示了这一设置。在“通过已知输入电容测量IB+”部分（AN-1373的第6页）描述的实验中，由于温控室中的温度提高至125°C，因此需使用能够承受该温度的材料。如将RG-316U用作同轴电缆的材料。此外，评估板上ADA4530-1的同相输入是三轴连接器。为此，三轴-同轴转换连接器（Axis公司的BJ-TXP-1）被采用。在该配置中，三轴侧的保护端口保持浮空。

图3.Cp测量设置：(a)温控室内部——所示为ADA4530-1的评估板和(b)测试盒侧的设置

获得的测量结果是Cp = 73.6pF，这是一个相对较大的值，因为根据AN-1373，实际测量值约为2pF。其原因与测试盒（更像是测试板）到同相输入的电缆长度有关。

通过已知输入电容测量IB+
下面开始测量偏置电流。电路配置如图1所示，安装的测试盒如图4所示。注意，移除了“通过输入串联电阻测量总输入电容”部分使用的输入电阻。如AN-1373（容性集成测量方法，第7页）中所述，将SW短接至GND，然后将其置于开路，并使用数字万用表(DMM)监控输出电压波动持续数分钟（此处使用的是Keysight Technologies的34401A DMM）。最后，通过将VOUT代入等式1，计算IB+。

图4.容性集成测量的设置

相同条件下的三次测量结果如图5所示。图中下半部分显示了通过DMM测量的ADA4530-1的输出电压波动，上半部分显示了使用等式1计算的电流值。该图显示，对于所有三个实例，测得的电压值都没有可重复性。因此，计算得到的电流值波形也与AN-1373中描述的结果不同（参见AN-1373图13和14）。

图5.测量结果：下半部分显示了通过DMM测量的ADA4530-1的输出电压，上半部分显示了使用等式1计算的电流值。蓝线是第一次测量，绿线是第二次测量，红线是第三次测量。

如何改进测量环境
In the section “Capacitive Integration Measurement,” we measured IB+ based on the AN-1373, but the results differed. In this section, we share the steps to improve the measurement environment and thus, the accuracy of the measurements.

在“容性集成测量”部分，根据AN-1373测量了IB+，但结果有所不同。接下来会分享如何改进测量环境，从而提高测量精度。

安装屏蔽盒并缩短输入电缆
首先，可实施以下两项改进：

• 在恒温室内的评估板上安装了屏蔽盒（参见图6）。

图6.安装屏蔽盒

• 缩短了连接到同相输入端子的同轴电缆，以减小Cp（参见图7）。

图7.缩短同轴电缆

第一项改进旨在减少外部噪声的影响，第二项改进是降低电缆中的小漏电流（重新计算的Cp是35.2pF）。然而，虽然采取了这些措施并重新进行了测量，但与“容性集成测量”中获得的结果类似，没有观察到可重复性。波形与预期波形显著不同。

移除测试盒
移除所用的测试盒，然后将SW改为直接短接至地和开路（参见图8）。也就是说，移除称为测试盒的电导组件，然后执行测量。因此，能够获得如图9所示的波形。

图8.移除测试盒后进行测量。在SW内部手动执行短路和开路操作。

图9.移除测试盒后的测量结果：蓝线、橙线和绿线是Cp = 35.2pF时的测量结果。红线是Cp = 26.5pF时的测量结果。

在所有测量中，由DMM测量的输出电压以恒定斜率升高，并达到约4.16V。对应的电流值约为50fA。

此外，图9中的红线显示使用更短的同轴电缆连接到同相输入端子时，重新测量的波形(Cp = 26.5pF)。电压升高的斜率与理论计算值一样大。从这些测量结果可以看出，输入侧的电导组件会对测量精度产生显著的不利影响。

结论
虽然fA级测量可在一般实验室环境中执行，但需要仔细考虑运算放大器输入侧的漏电流路径。为了提高测量精度，建议在输入侧使用特氟龙端子模块或评估板配合使用三轴电缆。

致谢
作者在此衷心感谢Scott Hunt、Iku Nagai和Jun Kakinuma提供的技术建议。