小數(shù)點(diǎn)后15位的世界，是片了無人煙的區(qū)域。其實(shí)早在三十年前，ADI便已涉足了這片無人區(qū)，以推出飛安級(jí)偏置電流運(yùn)算放大器的方式；而今，ADI的開拓更進(jìn)一步，再次在小數(shù)點(diǎn)后15位的無人區(qū)深處豎起了一面旗……

現(xiàn)實(shí)生活中電子設(shè)備的電流處于什么樣的水平？從下圖中我們可窺一斑

從毫安到微安再到皮安，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)低功耗的需求，電子設(shè)備的電流水平有往小發(fā)展的趨勢(shì)，而如何精確測(cè)量出微弱電流，則成了一道避不開的難題。為了測(cè)量出pA等級(jí)的電流，我們必須踏入小數(shù)點(diǎn)后15位（fA等級(jí)）的世界。

當(dāng)輸入端開路時(shí)，理想電流計(jì)的讀數(shù)應(yīng)當(dāng)為零。然而，實(shí)際的電流計(jì)在輸入端開路時(shí)的確有一些小的電流。這些電流是由有源器件的偏置電流以及流過儀器內(nèi)部的絕緣子的泄漏電流所引起的。

試想一下，待測(cè)電流小到1pA，而構(gòu)成電流計(jì)的器件之一——運(yùn)算放大器的偏置電流卻達(dá)到100pA（其實(shí)這已是非常小的偏置電流了），我們還能愉快地測(cè)出待測(cè)電流大小嗎？當(dāng)然不行，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)（待測(cè)電流）已被誤差電流（偏置電流）掩蓋，除非我們能將偏置電流控制在fA水平。

于是在測(cè)量微弱電流的應(yīng)用中，偏置電流成了攔路虎；而打倒這個(gè)攔路虎，則是ADI放大器工程師們追求的目標(biāo)之一，他們已為該目標(biāo)持續(xù)奮斗了數(shù)十年。

在ADI低偏置電流放大器系列產(chǎn)品中，推出已有三十年之久的旗艦產(chǎn)品AD549采用J-FET工藝，但為了實(shí)現(xiàn)偏置電流最大60fA的指標(biāo)，芯片內(nèi)部沒有ESD二極管，導(dǎo)致AD549的ESD防護(hù)等級(jí)比較低，這給用戶帶來了一定的設(shè)計(jì)障礙；而后續(xù)推出的另一款放大器AD462同樣采用了J-FET工藝，內(nèi)部雖然增加了ESD二極管用來保護(hù)放大器，但二極管的引入?yún)s使得偏置電流惡化到10pA。

在提高ESD防護(hù)等級(jí)的同時(shí)，如何Hold住偏置電流？

ADI的創(chuàng)新設(shè)計(jì)使魚和熊掌可以兼得。

ADI推出的ADA4530采用偏置電流相對(duì)較小的CMOS工藝，但為提升ESD防護(hù)等級(jí)，加入了若干二極管，這些二極管將其ESD防護(hù)等級(jí)提升至4000V。為了Hold住隨之提高的偏置電流，ADI的工程師采用了一種特殊電路。如下圖所示，引入了一個(gè)緩沖器，這個(gè)緩沖器會(huì)強(qiáng)制D1、D2、D3、D4兩端的電壓相等，而二極管兩端的電壓如果一樣，就不會(huì)有電流流過二極管。ADI的工程師通過這種特殊設(shè)計(jì)，規(guī)避了引入ESD二極管導(dǎo)致的偏置電流升高的問題，使得ADA4530在擁有超低偏置電流的同時(shí)，ESD防護(hù)性能優(yōu)異。

AD549是ADI最早推出的超低偏置電流放大器，其偏置電流低至60fA。這款產(chǎn)品一經(jīng)推出，立刻成為超低偏置電流放大器的標(biāo)桿，至今三十年仍被廣泛用于微弱電流的測(cè)量應(yīng)用中?？梢哉f早在三十年前，ADI便在小數(shù)點(diǎn)后15位的無人區(qū)插上了一面旗。而新近推出的ADA4530，將偏置電流降低至20fA，一舉成為超低偏置電流放大器的新標(biāo)桿。在小數(shù)點(diǎn)后15位的無人區(qū)，ADI再次豎起了一面旗。

ADA4530運(yùn)算放大器在125℃時(shí)的輸入偏壓電流是250fA，是競(jìng)品的1/20；在85℃時(shí)降至20fA，為競(jìng)品的1/50。而且，ADA4530還是目前唯一一款能夠在室溫至85℃范圍內(nèi)保持最大20fA輸入偏置電流的運(yùn)算放大器，也是唯一一款在室溫至125℃范圍內(nèi)通過最大250fA偏置電流生產(chǎn)測(cè)試的放大器！且其ESD防護(hù)等級(jí)高達(dá)4000V，徹底解決了因ESD防護(hù)等級(jí)低而帶來的設(shè)計(jì)不便的問題。

值得一提的是，ADA4530在25℃下偏置電流的典型值低至0.1fA！電流的定義是每秒鐘流過橫切面的電子個(gè)數(shù)，而一個(gè)電子帶電量大概是1.6乘以10的負(fù)19次方，若把0.1fA轉(zhuǎn)化為電子數(shù)，也就是說，在室溫條件下，ADA4530每秒鐘的泄漏電子僅為624個(gè)。

為了便于用戶評(píng)估微弱電流信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)換，ADI合作伙伴——世健國(guó)際貿(mào)易(上海)有限公司設(shè)計(jì)打造了皮安級(jí)電流計(jì)量評(píng)估套件。該評(píng)估套件基于ADA4530，采用模塊化設(shè)計(jì)，既可以單獨(dú)評(píng)估ADA4530性能，也可以用來評(píng)估整體系統(tǒng)的性能。同時(shí)，該評(píng)估套件采用USB供電，可直接與實(shí)際儀器對(duì)接使用。

該評(píng)估套件包括電流輸入轉(zhuǎn)換板、電壓輸入轉(zhuǎn)換板、引腳轉(zhuǎn)換板和數(shù)據(jù)采集板部分：

• 電流輸入轉(zhuǎn)換板關(guān)鍵元件采用插拔式設(shè)計(jì)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要安裝1M-1G反饋電阻和不同型號(hào)的光電傳感器；

• 電壓輸入轉(zhuǎn)換板對(duì)應(yīng)電壓輸入時(shí)需要運(yùn)放非常高的輸入阻抗，可用于自動(dòng)滴定儀和高阻抗電壓型傳感器中；

• 數(shù)據(jù)采集板采用超低噪聲的供電電路，同時(shí)采用USB供電和數(shù)據(jù)傳輸；

• 引腳轉(zhuǎn)換板采用ADA4530，板上的管腳按照AD549的管腳做了兼容化設(shè)計(jì)。板上集成電源轉(zhuǎn)換芯片，將AD549使用的+/-15V電源轉(zhuǎn)換成ADA4530支持的+/-5V。

用戶使用AD549時(shí)會(huì)對(duì)負(fù)輸入管腳做懸空式連接來降低電路板到輸入管腳的漏電流，在引腳轉(zhuǎn)換板上這一設(shè)計(jì)也得到了繼承，用戶可以直接在原先使用AD549的產(chǎn)品上直接評(píng)估ADA4530的效果。另外，世健還設(shè)計(jì)了專業(yè)的分析軟件，可以觀察探測(cè)器所測(cè)量的數(shù)據(jù)譜圖及直方圖，計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差等，并且可以另存為Excel文檔進(jìn)行分析。