世健超高精度皮安計(jì)模塊EPSH-PAM2.0正式上線(xiàn)

在模擬的世界里，微弱電流信號(hào)的測(cè)量通常是工程師需要面對(duì)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(yīng)用的層出不窮，對(duì)于微弱電流的測(cè)量范圍已經(jīng)從微安級(jí)（μA）提升到了皮安級(jí)（pA），提升了足足一百萬(wàn)倍！

為了測(cè)量微弱的電流，通常工程師將運(yùn)放進(jìn)行跨阻方式連接，見(jiàn)圖1所示。

【圖1跨阻放大器】

理想運(yùn)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(gè)Rf為10GΩ的電阻，就可以將1pA的電流信號(hào)變換成10mV的電壓信號(hào)了嗎？答案是否定的。工程師會(huì)面臨非常多的挑戰(zhàn)：來(lái)自運(yùn)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(xiàn)路噪聲，電磁干擾等等，這些都是擺在精密測(cè)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(cè)量應(yīng)用三十年來(lái)經(jīng)久不衰的經(jīng)典產(chǎn)品。光譜儀，氣相色譜儀，靜電計(jì)應(yīng)用中處處可見(jiàn)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(xiàn)以今天的眼光來(lái)看，都是幾無(wú)對(duì)手。

【圖2 摘自AD549數(shù)據(jù)手冊(cè)】

以超越致敬經(jīng)典，這成為了ADI人對(duì)技術(shù)的一種追求。2015年底，ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工藝實(shí)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(guò)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(cè)】

【圖 4 ADA4530-1與AD549對(duì)比表】

有了優(yōu)異的器件，如何將其性能發(fā)揮出來(lái)，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度去滿(mǎn)足皮安級(jí)電流測(cè)量的性能要求？針對(duì)中國(guó)工程師的需求，世健上海技術(shù)團(tuán)隊(duì)挑戰(zhàn)難關(guān)，在原有設(shè)計(jì)的皮安級(jí)電流計(jì)量評(píng)估套件的基礎(chǔ)上做了大幅度的改進(jìn)，于2020年10月正式發(fā)布了可商業(yè)化的超高精度皮安計(jì)模塊 EPSH-PAM2.0 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)PAM2.0模塊）。

世健技術(shù)支持部的高級(jí)副總裁戈一新表示道：“精心的模塊設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的工藝制作，保證了PAM2.0模塊的性能與質(zhì)量。50μV（相當(dāng)于5fA）的RMS底噪，能滿(mǎn)足絕大部分微弱電流信號(hào)測(cè)量用戶(hù)的需求。”

【圖5外觀(guān)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(guó)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(xiàn)，便于與各種電流輸入源對(duì)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(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，工程師對(duì)不同供應(yīng)商的10GΩ電阻進(jìn)行了全方位的評(píng)估測(cè)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(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)，使用LTC3260 雙路低噪聲LDO為ADA4530-1供電。在次級(jí)信號(hào)的放大選擇上，客戶(hù)既可以使用ADA4522-1與ADG1608的組合進(jìn)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(hù)在設(shè)計(jì)便攜式測(cè)量應(yīng)用時(shí)無(wú)需更改硬件。若客戶(hù)需要更高的采樣率ADC，亦可從TP2端與各種ADC評(píng)估板進(jìn)行對(duì)接。精心設(shè)計(jì)的LABVIEW GUI提供了模塊配置、實(shí)時(shí)波形顯示、直方圖和統(tǒng)計(jì)分析、測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出成Excel文件等功能。

【圖6系統(tǒng)框圖】

匠心設(shè)計(jì)的收獲是顯而易見(jiàn)的：使用Keithley 6220源表進(jìn)行測(cè)試，PAM2.0模塊在0-20pA的I-V曲線(xiàn)測(cè)試中，線(xiàn)性度達(dá)到了0.9999x；在0-100pA的測(cè)試中，線(xiàn)性度達(dá)到了0.999999x。PAM2.0每款模塊均進(jìn)行出廠(chǎng)線(xiàn)性度評(píng)估并配發(fā)85點(diǎn)測(cè)試報(bào)告。

【圖7  0-100pA 21點(diǎn)I-V線(xiàn)性度測(cè)試圖】

世健的超高精度皮安計(jì)模塊旨在從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提供給客戶(hù)快速設(shè)計(jì)原型，讓產(chǎn)品迅速推向市場(chǎng)。

該模塊將會(huì)在11月16-18日，于上海新國(guó)際博覽中心的慕尼黑上海分析生化展上展出。目前該模塊已經(jīng)上線(xiàn)世健網(wǎng)店 ( www.excelchips.cn )，感興趣的朋友可以在線(xiàn)咨詢(xún)購(gòu)買(mǎi)。

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有獎(jiǎng)問(wèn)答題目！

在您看來(lái)，世健超高精度皮安計(jì)模塊 EPSH-PAM2.0可以在產(chǎn)品中發(fā)揮哪些優(yōu)勢(shì)特性？請(qǐng)結(jié)合實(shí)際舉例說(shuō)明。

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1）即日起至11月8日（周日）晚24點(diǎn)，在本文留言欄中留言回答問(wèn)題；

2）合格的留言將以提交時(shí)間先后被移入精選； *溫馨提示：若答案抄襲自原文將被視為不合格答案，不移入精選，提供虛假信息者、抄襲別人的答案者不予頒獎(jiǎng)。 

3）世健員工不可獲獎(jiǎng)

4）世健將審核并挑選最精彩的5條留言，送出面值100元的京東E卡。

領(lǐng)

獎(jiǎng)

方式

1）世健將于11月10日（周二）在公眾號(hào)公布獲獎(jiǎng)名單，并以留言回復(fù)方式通知獲獎(jiǎng)?wù)?，?qǐng)獲獎(jiǎng)?wù)咛峁﹤€(gè)人信息；

2）世健將根據(jù)中獎(jiǎng)?wù)咚顚?xiě)信息，在2個(gè)工作日內(nèi)將京東E卡的卡號(hào)和卡密通過(guò)郵件發(fā)送給中獎(jiǎng)?wù)撸?/span>

3）如獲獎(jiǎng)?wù)?個(gè)工作日內(nèi)未回復(fù)正確的個(gè)人信息給世健，則視為放棄領(lǐng)獎(jiǎng)；

4）本次活動(dòng)最終解釋權(quán)為Excelpoint世健所有。

關(guān)于世健

亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商

世健(Excelpoint)是完整解決方案的供應(yīng)商，為亞洲電子廠(chǎng)商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù)。

世健是新加坡主板上市公司，擁有超過(guò)30年歷史。世健中國(guó)區(qū)總部設(shè)于香港，目前在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處，遍及中國(guó)主要大中型城市。憑借專(zhuān)業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。

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