设计低泄漏飞安电路-组件选择

第1部分定义并描述了承载这些低电流的设计，解释了设计这些电路时出现的问题，并研究了屏蔽和防护方法的应用。在第 2 部分中，将研究元件选择如何影响低泄漏电路的性能，并讨论噪声如何渗透到低泄漏设计中。 元件效应电阻器高阻抗电路本质上涉及使用高阻值电阻器。值范围从数百千欧到数百兆欧，甚至高达数十兆欧。

玻璃封装的多千兆电阻器 除了我们预期的正常电阻误差、熟悉的容差和温度系数 (tempco) 之外，这些电路中还有其他重要的误差。

大电阻会产生大量噪声。约翰逊先生喜爱的热方程1在求解这些非常大的电阻值时会产生非常大的数字。

10Meg 电阻器仅在 1Hz 带宽内产生 2.4μVp-p 的噪声。

1Gigohm 电阻器仅在 1Hz 带宽下即可产生 24μ Vp-p 噪声。

图 2. 电阻器热噪声

获得室温 (25°C) 下粗略 nV/Hz RMS 电阻噪声的快速方法是将电阻的平方乘以 0.13（或 0.128299）。

电阻器噪声，单位为 nVrtHz = 0.13 * sqrt(R)（将 RMS 乘以 6 以获得 Vpp）。

在大多数情况下，会发现噪声大于预期的信号电平。将测量带宽限制在所需的范围内非常重要。每增加一赫兹的带宽只会增加更多的噪声。

用于构建高阻值电阻器的特殊材料也会增加额外的噪声，从而增加理论噪声。发现噪声略高于电阻值计算值的情况并不罕见。

电阻器还可以具有显着的并联电容。典型的 1/4 瓦电阻可以与电阻并联 0.15pF 至 0.5pF。在处理高阻抗时，每个 pF 都很重要，尤其是对于高值反馈网络。

减少串联电容的一种技巧是使用串联的多个电阻器而不是一个电阻器。通过这种方式，电容杂散被串联放置。

如果一个10Meg电阻为0.2pF，则串联两个5Meg电阻为0.1pF，五个2Meg电阻为0.04pF，十个1Meg电阻为0.02pF。超过五个正在陷入收益递减。电阻器应端到端焊接，并全部放置在电路板上方以获得最佳效果。两个或三个表面贴装电阻器可以垂直安装在同一焊盘上。

高值电阻器还可以具有电压系数，其中电阻值随着电阻器两端的电压增加而变化。这在高电压 (>100V) 下最为明显，对于小信号反馈电阻器来说通常不是一个大问题，因为它们两端的电压非常低或为零。

一些电阻器，特别是多吉欧表面安装类型，是由特殊的基板材料制成的，可能需要银焊料或其他特殊的焊接预防措施。仔细检查电阻器数据表，并阅读制造商的应用说明。

请勿触摸高值电阻器的本体，并且只能小心地处理引线，以防止电阻器本体表面沾上人体油脂。这些电阻器还可能具有薄薄的保护性硅胶涂层，以密封必须受到保护的湿气。如果需要操作电阻体，建议戴手套。阻值数千吉欧的电阻器通常封装在玻璃体中，以减少泄漏并保护元件。再次，请仔细阅读数据表中的任何警告或特殊处理和清洁说明。

电容 电容

有两种类型：有意的和无意的。

“有意”电容器是有意放置在电路中的电容器，

“无意”电容器是没有放置在那里但自然地悬挂在电路的每个节点上的电容器。

这些无意的电容器被称为“杂散”，因为任何面对另一个导体的导体都是电容器。

由于低电流测量通常涉及超高阻抗（>Gohm），因此器件和杂散电路电容的影响非常普遍且不容忽视。几 pF 的杂散电容，在“正常”电路中通常人们不会考虑，但在高阻抗电路中可能会成为一大麻烦。数吉欧和皮法世界中的时间常数可以达到秒，甚至分钟。

元件和杂散电容通常决定电路的最终带宽，而不是放大器的带宽。因此，如果需要任何带宽，最大限度地减少杂散电容至关重要。

电容器“浸泡”或介电吸收

电容器“浸泡”或介电吸收是一种电容器，似乎能够在放电后“记住”之前充电到的电压。

人们可以将浸泡模型视为与主电容器并联的具有非常大串联电阻的第二电容器。

图 4. 电容器浸泡模型

由于串联电阻的原因，简单地短接主 1uF 电容器并不能完全使“并联”电容器完全放电。然后并联电容器通过串联电阻缓慢地对主电容器重新充电。结果是主电容器开路电压缓慢上升到接近原始充电电压的值。 由于低电流电路中通常使用高阻抗，因此这种效应可能是测量中的一个明显部分，特别是在采样和保持、集成电容器，甚至某些绝缘材料的电容中。 电介质或绝缘体的类型和质量决定了渗透量。特氟隆和多晶硅电容器非常好，而钽、陶瓷和大多数电解电容器可能很差。即使是其他材料，例如印刷电路板、连接器和绝缘体也可能具有这些吸收效应。聚四氟乙烯和各种多晶硅电容器位居吸收最低的榜首，钽、云母和陶瓷的吸收最高。 节点闲置时应接地或保持在最低电位，以尽量减少电介质吸收。闲置时应将电容器与小阻值电阻短接。

避免在测量节点上长时间保持大电压，并且不要让积分器长时间“跟踪”。 运算放大器输入偏置电流效应运算放大器的“偏置电流”通常是需要克服的第一个障碍，并且可能是高阻抗电路中的主要误差电流。温度和输入电压的影响也不容忽视。每个运算放大器数据表都提到了偏置电流规格。但它是什么以及为什么如此重要？运算放大器的输入设备主要分为三种类型：双极结型晶体管 (BJT)、结型 FET（或 JFET）和 CMOS MOSFET 器件。 双极输入的偏置电流是输入晶体管的基极电流。 双极偏置电流值的范围从极高速双极器件的几微安到较慢的精密器件的纳安。

由于双极输入器件很少用于亚皮安电流应用，因此我们将主要关注 JFET 和 MOSFET 器件。

JFET 的偏置电流远低于双极晶体管，但栅极仍然是 PN 结，并且具有反向偏置二极管的漏电特性。JFET 器件（如流行的 LF4xx 或 TL0xx 系列）的偏置电流范围低至数十皮安至数百飞安。 CMOS MOSFET 器件的栅极通过一层薄薄的氧化物（就像一个小玻璃窗）与沟道绝缘。CMOS 器件的泄漏通常在几十飞安到几乎不可估量。 然而，对于 CMOS 运算放大器，栅极电流只是 CMOS 运算放大器输入引脚上常见的“偏置电流”的一小部分。 形成栅极绝缘体的氧化物“玻璃”只有几埃厚，很容易因过电压（有时低至 10V）而破裂。如果设备要在现实世界中生存，就需要一些保护。

图 5. 输入保护二极管 为了防止氧化物破裂，每个输入都有两个 ESD 保护结构（“二极管”）；一根连接至 V+，一根连接至 V-，以将任何多余的输入电压钳位至电源线。

图 6. 二极管泄漏取消 这些 ESD 保护结构确实会泄漏，但两种结构的泄漏程度相同，并且泄漏到相反的电源线，因此最终结果是泄漏电流往往会在输入引脚处抵消。严格的工艺控制和仔细的布局允许在室温下将芯片上的结构漏电流匹配到几飞安以内。这对于外部分立二极管来说几乎是不可能做到的。 但由于没有什么是完美的，这两种结构之间总是存在轻微的不匹配。因此，在输入引脚上看到的“偏置电流”主要是 ESD 保护结构的泄漏以及芯片或封装的任何杂散泄漏的差异。 由于这些 ESD 结构基本上都是二极管，因此它们的泄漏曲线在整个温度范围内都遵循二极管的泄漏曲线。随着二极管变热，泄漏增加。 根据经验，CMOS 运算放大器的偏置电流大约每升高 10°C 就会增加一倍。因此，25°C 时的 2fA 电流在 125°C 时应变为大约 2pA。

图 7. LMC6001 偏置电流随温度变化的示例 实际上，这条经验法则主要在较高工作温度（高于 40°C）下是正确的，而在较低温度下，由于内部芯片走线和封装泄漏成为理论电流的较大部分，曲线会出现偏差，如图所示如图 7 所示。 由于偏置电流是两个 ESD 二极管之间的平衡，因此这会在 VCM 范围中间（中间电源）产生一个低电流“最佳点”，电流在此抵消。

图 8. 共模和温度范围内的偏置电流示例 (LMC6001) 请注意曲线如何随温度变化而围绕 2.5V 变化。始终尝试设计电路，使输入电压位于输入电压范围的中心附近，以实现最低的偏置电流和温度影响。 当输入电压达到电源的 1-2V 范围内时，偏置电流将开始缓慢上升，因为其中一个二极管开始被夹断并且失去平衡。 输入电阻关于术语“输入电阻”的简单介绍，因为它适用于 JFET 和 MOSFET 运算放大器。这有点用词不当。人们很容易将输入视为高电阻，通常在吉欧到太欧范围内。但认为运算放大器的输入看起来纯电阻是有风险的，而实际上它更像是双向电流源。偏置电流可以流出或流入源电路，从而导致正向和负向误差。 正如在前面的图表中所看到的，该电流可以根据共模、温度甚至器件之间的变化来改变方向。运算放大器提供给源的“负载”既不是固定值也不是单向的。

设计人员应将输入偏置电流误差视为随机双向电流，并采取适当的预防措施来适应这些变化（偏移调整微调、调零检查等）。 关于“输入电阻”的另一个假设是它在频率范围内保持恒定。它不是。太欧姆输入电阻值仅适用于直流电。在除直流以外的任何频率下，“输入电阻”现在是总输入电容的阻抗。直流时的“阻抗”可能是太欧姆，但如果输入电容很高，则在 1KHz 时可能会下降到较低的兆欧姆。

在交流频率下，您将与输入电容作斗争。 当使用 CMOS 或 JFET 放大器时，通常不需要与双极器件一起使用的第二个“偏置电流消除”电阻器，它只会增加系统噪声。 抵消偏置电流或泄漏在某些情况下，有必要抵消偏置电流或泄漏的影响。 最常见的强力解决方案是偏移电路参考电压以消除或“清零”误差。但是，当无法进行基线偏移时（如积分器的情况），会发生什么？首先想到的电路可能是从输入到可调电压源的一个大电阻，就像“正常”电流电路中通常所做的那样来补偿用于偏移量。这可以工作，但输入阻抗会降低，并且大电阻器的额外噪声会添加到输入中（加上任何电流噪声贡献），并且在低电流下，这些电阻器可能会变得相当大。 还有更好的方法。每个电路和设计都是独特的，但有一些基本电路可以进行调整以供使用。

如果使用驱动保护，则可以向保护电压添加正或负偏移以补偿泄漏。仅建议将基线“微调”一两个百分点。 如果无法抵消防护装置，则可以使用“探针”或伪防护装置。这是故意将电极或迹线放置在靠近输入迹线的位置，并驱动至某个电位以抵消泄漏。然后探头或迹线“泄漏”通过介质并进入输入迹线，抵消泄漏。 如果泄漏来自某一特定源（例如印刷电路板），则保护抵消或“探测”技术是自补偿的（即，如果泄漏电流由于温度或湿度而增加，则补偿电流也会增加）。多个来源的综合泄漏更难以补偿。 还可以在输入和小可调电位（几毫伏）之间使用反向偏置二极管。可调电压允许用户精确控制输入中的二极管“泄漏”量。然而，这可能会给输入带来一些额外的噪声和可变电容。优点之一是“泄漏”将遵循二极管温度系数曲线，最适合抵消半导体器件造成的泄漏。通常可以使用二极管连接的晶体管来代替二极管，以降低泄漏。 噪声源外部噪声可以通过多种方式引入电路中。

静电耦合静电耦合通常是将噪声引入高阻抗电路的最常见方式。 静电耦合可以被认为是长距离电容耦合。辐射表面或导体包括电容器的一个极板，并且电路节点成为电容器的第二个极板。即使是几分之一皮法的等效电容也可以将重要信号耦合到敏感的高阻抗节点。

图 9. 静电耦合模型

如果干扰（例如电源线噪声）随着你的手靠近电路而增加，并且随着您接触地面而减少，则说明正在遭受静电耦合。 静电耦合最常见的效应是“邻近”效应，或者敏感电路“看到”你的手在几厘米外移动的能力，或者“天线”效应，其中电路可以“感知”另一个信号（功率）线路噪声）从远处。 为了解释这一点，我们必须看看电容变化率公式。

i = Δv/Δt * C

对于给定的电荷，电容的任何变化都会引起电流的变化。或者，对于给定的电容，任何电压变化都会导致电流变化（Δt 永远不会实时停止）。因此，任何物理移动（改变电容）或具有变化电压（波动信号）的导体都会通过静电“电容器”将电流感应到电路中。因此，附近运行的导体要么物理振动，要么包含波动电压，可能会将噪声耦合到高阻抗电路中。由于这种效应，当灯具移动时，松动且未屏蔽的电源线也会导致输出“摆动”。 幸运的是，这是最容易解决的噪音问题之一。避免静电耦合所需要做的就是在这两个“板”之间插入一个坚固的第三个“板”以中断静电路径。

图 10. 解决静电耦合问题

将输入级包围在导电“茧”中将消除大部分静电耦合。屏蔽层不必是含铁的，但至少是导电的。 静电耦合的另一个副作用是高增益应用中的输入到输出振荡，其中输入电路可以“看到”增益后的输出信号导体。输入可以感测输出的移动并产生正反馈，类似于 PA 系统麦克风反馈“啸叫”。输入走线应始终与输出信号线屏蔽。 需要注意的是：如果你使用一大片薄铝箔或铜箔来屏蔽电路，请注意你可能会无意中创建静电麦克风。大而薄的区域会因声波或机械扰动而振动，并在这些表面振动时相反地调制杂散电容 (Δc)。这种“麦克风”可以调制低频噪音，例如空调的隆隆声，处理噪音和脚步声，甚至是声音。确保任何大的表面区域足够厚、足够硬或足够阻尼，以最大限度地减少振动。 电磁耦合我们最熟悉的是电磁耦合。这就是“变压器”效应，穿过导体的磁场会在该导体上产生电流。这种耦合可以是来自电源变压器或射频发射器的杂散磁通的“嗡嗡声”形式。开关电源可以将高频磁通“喷射”到附近的导体中——即使它们是电屏蔽的。这是最难消除的影响。 最常见的影响是电源线“嗡嗡声”，它似乎对位置敏感，因为嗡嗡声的幅度随着电路板的移动而变化。常见的解决方法是将输入和返回导体绞合在一起，以便消除感应电流，但这对于同轴或三轴电缆或其他单端不平衡导体来说可能是不可能的。

电磁耦合更难以消除，可能需要使用特殊的屏蔽材料（钢、高导磁合金），或者重新定位垂直于磁通的电路以最大限度地减少拾取。 接地环路更加敏感接地环路在低电流水平下变得更加普遍。在大多数情况下，只有几个纳安的接地环路甚至不会引起任何人的注意。然而，如果传感器的输入公共端与屏蔽或电源地共享，则接地电流最终可能会叠加在测量参考信号上。传感器的公共端或参考端不应与任何保护接地或电源接地共享。 电路电压噪声（放大器）/放大器选择对于敏感电路，人们很容易使用噪声最低的运算放大器，但在高阻抗电路的情况下，这可能是矫枉过正，甚至有损电路性能。 在大多数情况下，最大的噪声源是反馈电阻器或传感器源阻抗。噪声以平方和的方式增加，因此如果源噪声为 400nV/Hz，则 6nV/Hz 甚至 50nV/Hz 放大器不会对整体噪声系数产生太大影响（400.04nV 与 403.11nV）。

为了使JFET或CMOS器件“低噪声”，必须通过并联多个器件来增加输入器件的栅极面积。栅极表面积的增加将成比例地增加输入电容。标准 CMOS 器件，如 LMC662（22nV√Hz），将具有 2-3pF 的输入电容，而低噪声 CMOS 器件，如 LMV7715（6nV√Hz），将具有近 15pF 的输入电容。 在反相或跨阻应用中，反相节点中的额外输入电容可能会导致峰值，这将需要反馈补偿，从而占用系统带宽。 对于同相或缓冲应用，电容将增加源的电容负载，形成具有源电阻的 RC 极，从而降低整体系统带宽。 如果需要最大化带宽，则可能需要使用具有较小输入电容的噪声较大的放大器。 电路电流噪声（放大器、电阻器）有源器件也有噪声电流。

噪声电流可以被认为是相当于直流偏置电流的交流噪声。在低阻抗下，电流噪声通常不是问题。但在高阻抗时，该噪声电流会在输入阻抗上产生噪声电压，就像直流偏置电流在输入电阻上产生电压偏移一样。 即使消除 DC 偏置电流，噪声电流为 0.1pA/Hz 的器件也会在 10Megohm 电阻器上产生额外的 1000nV/Hz 噪声电压。电流噪声是不相关的，不能用另一个电阻器（如直流偏置电流）“消除”。 开关和切换在某些应用中，可能需要输入切换或多路复用。在上述皮安世界中，使用 JFET 和 MOSFET 开关的电子开关很常见。

然而，在亚皮安世界中，机械开关和继电器仍然占据主导地位。 虽然 MOSFET 和 JFET 开关的漏电流相对较低，但它们往往会受到电荷注入、有限共模范围和杂散电容效应的影响。簧片继电器因其尺寸紧凑、运行速度快、泄漏低且易于防护而占据主导地位。

簧片继电器由一对封装在长密封玻璃管内的触点组成。线圈围绕簧片，当线圈通电时，以磁性方式闭合触点。 对于低泄漏应用，可以将簧片放置在铜管内（线圈内），为整个簧片组件提供完整的保护。通过适当的防护，继电器对于电路来说几乎是不可见的。防护触点如图 13 左侧所示。 使用干簧继电器需要注意的一件事是单匝“变压器”效应。在线圈通电和触点打开之间的时间内，簧片充当一匝次级线圈（线圈作为初级线圈）。这会在继电器触点上产生几毫伏的电压，持续一到两毫秒，直到它们打开。

请注意这一点，特别是在积分器电容器复位应用中。由于线圈匝数较少，电压较低的继电器的这种影响较小。 机械电枢继电器由于体积大、不易防护，一般不使用。 电源线噪声电源线噪声可以通过多种不同的方式表现出来。明显的方法是前面提到的接地环路、静电和电磁耦合，但线路噪声还可以通过其他一些途径渗透到高阻抗电路中。 对于运算放大器、仪表放大器、CMOS 开关和多路复用器、A/D 和其他具有高阻抗输入的有源器件，输入引脚很可能在其输入引脚上具有 ESD 保护或钳位结构（如前所述）。这些结构与电源线直接连接，并且还具有跨其的固有设备电容。这种小电容可以将噪声直接耦合到高阻抗输入信号中，从而绕过器件的任何本机电源抑制比 (PSRR)。电源线上的几毫伏“嗡嗡声”或数字“杂音”可以通过保护二极管电容并将其自身嵌入到输入信号中。

图 12. 通过 ESD 二极管电容耦合的电源噪声

另一个切入点是电源衍生的偏置电压，通常通过电阻分压器获得。典型的 Vs/2 分压器在没有任何滤波的情况下只有 6dB 的电源抑制。在抽头中添加旁路电容器可能会在高频下将其提升至 20-30dB 或更多，但在低频下，电容可能不足以完全消除电源线频率（及其谐波）。如果该偏置线用于为传感器提供偏置电压（在增益级之前），则噪声可以“调制”传感器信号并与传感器信号一起被放大。 显然，这里的规则是保持电源和偏置电压尽可能干净。非常敏感的阶段应由单独的电源供电。在大多数情况下，电源线上的简单 RCL 滤波器就足够了。 警告：在进行基准测试时，数控电源可能会同时出现嗡嗡声、开关噪声和数字“哈希”。此外，许多数字万用表的输入端都有大量数字采样瞬变。当数字万用表连接到模拟电源以监控电压时，可能会将数字噪声注入电源线。如果你信号中存在与 DMM 显示更新速率相关的噪声，请关闭 DMM 并查看噪声是否消失。 电离辐射飞安级别发生的一种有趣现象是检测自然发生的电离辐射3。最常见的影响是测量值突然“突然”变化或阶跃变化。

图 13. 电离辐射在电路上沉积电荷。 当粒子以光速飞过时，它们会电离尾随的空气。如果输入导体恰好在附近，它们就会积聚一些电荷。 辐射源有地球的和地外的，而且就在我们周围。最大的贡献者是外星人。高能粒子是由太阳、太阳耀斑、超新星爆炸和其他银河来源产生的。这些粒子已经远远干扰了您的测量！地面辐射源可以包括陶瓷、石头和花岗岩等常见材料。氡可以在封闭的地下区域积聚。 阿尔法和贝塔粒子可以用几毫米的铝来阻止，但能量更高的伽马和“X”射线（可以产生阿尔法和贝塔粒子）可以被更致密的材料（厘米厚的铅）阻止。

这种现象可能每周发生一次，或者一天发生几次，也许一年一次。撞击的时间和幅度都是随机的，频率取决于电路布局、灵敏度、高度和建筑材料。 对于积分器，这种电荷的突然积累看起来像是一个急剧的台阶，但线的斜率通常不会改变。互阻放大器将呈现急剧上升沿，然后呈现指数衰减。 最大限度地减少这些事件的唯一方法是最大限度地减少测量节点和防护装置之间的空气量，并将输入导体的表面积保持在最低限度。不要无意中创建自己的小型电离室！ 摩擦起电效应 摩擦起电4电荷是指两种不同的材料摩擦在一起并产生电荷。这就是熟悉的“梳理头发”火花效果。 这种效应在同轴电缆中最为明显，当电缆弯曲时，导体会与塑料电介质发生摩擦。这些材料相互摩擦，可以在外屏蔽层和内导体之间产生电荷。

要亲自观察这种效果，请将同轴电缆的一端连接到示波器，并将示波器设置为最低灵敏度，然后摆动或敲击电缆。您将看到仅通过移动电缆就产生了电压波形。专为高阻抗而设计的特殊“低噪声”同轴电缆在电介质周围放置石墨粉末，以最大限度地减少影响。凌乱，但有效。 许多连接器（例如廉价的 BNC 或多线 IDC 接头和 D-Sub 连接器）也会因塑料绝缘体与引脚或外壳摩擦而表现出这种效应。选择用于低电平信号的连接器时应特别小心。建议使用聚四氟乙烯 (PTFE) 绝缘连接器。

压电效应另一种电荷发生器是压电5特性。压电电荷是指单一材料在受到压力、冲击或弯曲时自产生电荷。其中最熟悉的是压电晶体，用于压电扬声器、烧烤打火机和“水晶”麦克风。许多材料，包括陶瓷和玻璃，都具有压电特性。 正如音频人员可以告诉您的那样，陶瓷电容器的颤噪性非常大，并且在受到压力或振动时会产生微小的电压。在低电流水平下，这种效应可能是“机械”噪声的重要来源，特别是对于表面贴装器件，它们牢固地固定在电路板上，可以感应电路板的弯曲和振动。使用陶瓷电容器时应小心，以免其受到应力和振动。 机械应力和振动组件或绝缘材料上的机械应力会产生电荷，从而干扰信号。通常容易受到反复压力的组件是印刷电路板、控制装置和外部信号连接器。 如果弯曲或受压，印刷电路板本身会产生电荷。这在便携式、车载或其他“坚固耐用”的操作环境中可能是一个问题。可能需要多个安装点、板加强件和板支撑件。开关、电位器、连接器和其他外部设备应牢固地安装到面板上，而不是依赖 PCB 进行机械支撑。

审核编辑：刘清