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同是飞安级运放,世健皮安级电流评估套件为何选择它?

时间:2017-08-21 作者:邵乐峰 阅读:
ADA4530-1是ADI在2016年针对化学分析、环境监控、过程控制类仪器,例如气相色谱仪、定便器、火焰离子化检测器、光谱议等推出的业界首款支持20飞安(fA)电流的运算放大器。
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ADA4530-1是ADI在2016年针对化学分析、环境监控、过程控制类仪器,例如气相色谱仪、定便器、火焰离子化检测器、光谱议等推出的业界首款支持20飞安(fA)电流的运算放大器。在ADI线性产品部应用工程师郭剑看来,“偏置电流会妨碍系统设计人员充分发挥传感器的灵敏性,因为他们需要为偏置电流的较大变化范围预留一些防护频带。”而ADA4530-1的最大成功之处在于其偏置电流极低,可以做到竞争产品的1/20,甚至更低。WF9EETC-电子工程专辑

其实早在30多年前,ADI就推出过一款单芯片静电计运算放大器AD549。即便在现在看来,AD549也堪称经典,因为当年ADI就已经可以把输入偏置电流做到60fA量级。所不同的是,ADA4530-1将AD549采用的直插式封装升级为贴片式封装,缩小了体积,更适应仪器设备小型化的需求。WF9EETC-电子工程专辑

另外一个关键指标就是偏置电流的大幅降低。ADA4530-1运算放大器在125℃时的输入偏压电流是250fA,是竞品的1/20;在85℃时降至20fA,为竞品的1/50。而且,ADA4530-1还是目前唯一一款能够在室温至85℃范围内保持相同的20fA输入偏置电流的运算放大器,也是唯一一款在室温至125℃范围内通过全面偏置电流生产测试的放大器。WF9EETC-电子工程专辑

如此之低的偏置电流使得ADA4530-1成为连接对输出负载敏感的传感器(如光电二极管),以及精度监测/分析设备中常用的其他高输出阻抗传感器(如分光光度计、色谱仪、质谱仪、恒电位和恒电流库伦分析测量设备)的理想选择。此外,也可用作皮安计和库仑计测量系统的前端放大器,光电二极管、电离室和工作电极测量的跨阻放大器,或化学和电容传感器的高阻抗缓冲器。WF9EETC-电子工程专辑

支持飞安级电流的秘密WF9EETC-电子工程专辑

Bipolar、J-FET、CMOS是ADI制造放大器所采用的三种不同工艺。其中,J-FET和CMOS被认为是实现低偏置电流的最好选择。根据郭剑的介绍,在ADI放大器产品中,经典的AD549采用J-FET工艺,但为了实现偏置电流最大60fA的指标,芯片内部没有ESD二极管,导致AD549的ESD防护等级比较低,电压1000V,这给用户带来了一定的设计障碍;另一款放大器AD462同样采用了J-FET工艺,内部虽然增加了ESD二极管用来保护放大器,并将电压提高到4000V,但却将偏置电流变为10pA。WF9EETC-电子工程专辑

与前两者不同,ADA4530采用CMOS工艺,内设多个二级管用来实现ESD保护,电压同样可达4000V。但在25-85℃范围内,偏置电流最高却只有20fA。
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3款运算放大器性能比较WF9EETC-电子工程专辑

设计的秘诀来自下图。如图所示,左边方框中有6个二极管,这些二极管一部分功能是实现ESD的保护功能,ESD等级可以达到4000伏。而且内部设计了一个缓冲器,它会强制流过D1、D2、D3、D4的电压是零,因为二极管两边的电压一样就没有电流流过这个二极管,我们通过这样一种特殊且创新的设计,使得之前因为引入ESD二极管导致的漏电流的问题得以规避
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ADA4530结构框图WF9EETC-电子工程专辑

“内置片内防护缓冲器可以追踪输入共模电压并提供输出,用以驱动PCB保护环或互连的屏蔽体,目的是减少传感器和放大器之间敏感连接器中杂散电容的影响。从而简化了传感器接口设计,客户无需再为所需输出驱动器设计单独的电路,这样可以减少设计时间、节省成本和PCB空间。”郭剑说。WF9EETC-电子工程专辑

模块化评估套件WF9EETC-电子工程专辑

目前,高端科学仪器被测物质的检出限可到10 -12以下,信号检测器输出电流的大小只有纳安(nA)级甚至是皮安(pA)级。要精确的放大这一级别的输入电流,需要放大器的输入偏置电流误差在飞安(fA)级。但由于fA级信号非常弱,客户在弱信号下的PCB设计(布局布线、PCB材质、生产工艺)能力,以及外部环境(噪声、灰尘、温度、湿度)的变化,都会影响到信号的放大和提取。因此,一套模块化、方便灵活的评估套件,将会极大降低客户设计系统级产品 时的难度。 WF9EETC-电子工程专辑

针对ADA4530-1,世健公司日前开发了一套皮安级电流计量评估套件,包括电流输入转换板、电压输入转换板、引脚转换板和数据采集板,可以用于光度计、气相色谱仪、火焰离子化探测器和实验级pH计。WF9EETC-电子工程专辑

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世健公司皮安级电流计量评估套件WF9EETC-电子工程专辑

世健国际贸易(上海)有限公司技术支持部高级经理熊祥介绍说,电流输入转换板关键元件采用插拔式设计,客户可以根据实际需要安装1M-1G反馈电阻和不同型号的光电传感器;电压输入转换板对应电压输入时需要运放非常高的输入阻抗,可用于自动滴定仪和高阻抗电压型传感器中;数据采集板采用超低噪声的供电电路,同时采用USB供电和数据传输;引脚转换板采用ADA4530-1,板上的管脚却是按照AD549的管脚做了兼容化设计。板上集成电源转换芯片,将AD549使用的+/-15V电源转换成ADA4530-1支持的+/-5V。WF9EETC-电子工程专辑

客户使用AD549时会对负输入管脚做悬空式连接,在引脚转换板上这一设计也得到了继承,客户可以直接在原先使用AD549的产品上直接评估ADA4530-1的效果。另外,世健还设计了专业的分析软件,可以观察探测器所测量的数据谱图及直方图,计算统计数据的最大值、最小值、平均值和标准方差等,并且可以另存为Excel文档进行分析。WF9EETC-电子工程专辑

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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