使用商业级实验室设备测量超低偏置电流的实用技巧

Aoi Ueda

在需要低漏电流的应用中，选择低输入偏置电流（IB） 运算放大器。应用笔记AN-1373介绍了如何使用ADA4530-1评估板测量超低偏置电流。然而，由于处理飞安 （fA） 级电流的性质，测量环境（夹具、屏蔽、电缆和连接器等设备）也会影响测量结果。

本文将介绍使用商用级实验室设备、夹具和常用材料在AN-1373中重新创建测量的试验，还包括一些改进测量以最终实现50 fA的解决方法。首先，测量偏置电流测量的输入电容，以及在125°C条件下输入电容充电时输出电压的变化。 我们还尝试从测量的输出电压中得出偏置电流值。最后，我们将尝试根据测量结果改善测量环境。

电容式积分测量

根据AN-1373，输入电容（Cp）的测量必须首先使用电容积分测量方法。我们将使用ADA4530-1R-EBZ-BUF，并将ADA4530-1配置为缓冲模式，进行本实验。

接下来，我们计算输入电流（IB+).具体来说，使用图1所示的电路配置，当测试盒中的软件从ON（接地至GND）变为OFF（开路）时，IB+流入Cp.输出电压随着 I 的升高而上升B+收费 Cp，所以 I 的值B+可以通过监测并将其代入公式1来计算。

图1.电容积分测量方法示意图。

使用输入串联电阻器测量总输入电容

计算 Cp，本实验采用串联电阻的方法。图2显示了一个简单的电路图。串联电阻的值基于 AN-6 第 1373 页上的测量指南，实际值为 Rs.软件也安装在测试盒中，用于以后的实验（此时软件处于打开状态）。

可以测量函数发生器的波形衰减至–3 dB的频率，并使用公式2计算输入电容。

图2.C 的计算p使用输入的串联电阻。

图 3 显示了设置。由于在“测量I”一节中描述的实验中，温控室中的温度上升到125°CB+具有已知的输入电容“（AN-6第1373页），我们使用可以承受这种温度的材料。RG-316U被用作同轴电缆的材料。此外，评估板上ADA4530-1的同相输入为三轴连接器。因此，使用了三同轴到同轴转换连接器（安讯士公司的 BJ-TXP-1）。在这种配置中，三同轴侧的保护端子保持浮动状态。

图3.Cp测量设置：（a）温控室内（显示ADA4530-1的评估板）和（b）测试箱侧的设置。

作为测量结果，Cp= 73.6 pF，这是一个相对较大的值，因为根据AN-1373的实际测量值约为2 pF。其原因与从测试盒（看起来更像测试板）到同相输入的电缆长度有关。

测量 IB+具有已知输入电容

最后，我们开始测量偏置电流。电路配置如图1所示，安装的测试盒如图4所示。请注意，“使用输入串联电阻器测量总输入电容”一节中使用的输入电阻已被移除。如 AN-1373（电容积分测量方法，第 7 页）中所述，将软件短路至 GND，然后打开它并使用数字万用表 （DMM） 监控输出电压波动几分钟（我们使用了是德科技的 34401A 数字万用表）。最后，计算IB+通过替换 V外进入等式 1。

图4.电容积分测量的设置。

在相同条件下进行三次测量的结果如图5所示。图下半部分显示了数字万用表测得的ADA4530-1的输出电压波动，上半部分显示了使用公式1计算的电流值。该图显示，对于所有三个实例，测量的电压值都没有可重复性。因此，计算出的电流值的波形也与AN-1373中描述的结果具有不同的形状（参见AN-1373图13和14）。

图5.测量结果。下侧显示数字万用表测得的ADA4530-1输出电压，上侧显示使用公式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。

如何改善测量环境

在“电容集成测量”一节中，我们测量了IB+基于 AN-1373，但结果不同。在本节中，我们将分享改善测量环境的步骤，从而提高测量的准确性。

安装屏蔽盒并缩短输入电缆

首先，我们进行了以下两项改进：

在恒温室内的评估板上安装了一个屏蔽盒（见图6）。

缩短了连接到同相输入端子的同轴电缆，以降低Cp（见图7）。

图6.安装屏蔽箱。

图7.缩短同轴电缆。

首先，我们希望减少外部噪声的影响，其次，我们希望减少电缆中的小漏电流（重新计算的Cp为 35.2 pF）。然而，尽管采取了这些措施并重新测量了这些措施，但没有观察到重现性，类似于“电容积分测量”中获得的结果。波形与预期的波形有很大不同。

取出测试盒

移除使用的测试盒，并通过直接短路和打开接地来更换软件（见图8）。换句话说，称为测试盒的电导分量被移除并进行了测量。结果，我们能够获得如图9所示的波形。

图8.移除测试盒进行测量。用手代替SW进行短而开放的操作。

图9.取出测试箱后的测量结果。蓝线、橙线和绿线是 C 处的测量结果p= 35.2 pF。红线为C时的测量结果p= 26.5 pF。

DMM 测量的输出电压以恒定的斜率增加，在所有测量中均达到约 4.16 V。相应的电流显示值约为50 fA。

此外，图9中的红线显示了使用连接到同相输入端子的较短同轴电缆（Cp= 26.5 pF）。电压上升的斜率与理论计算一样大。从这些测量结果中发现，输入侧的电导分量对测量精度有明显的不利影响。

结论

虽然fA电平测量可以在一般实验室环境中进行，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接线端子或三轴电缆与评估板一起使用。

审核编辑：郭婷