优秀只是及格线——世健推出增强版超宽温度范围、高精度皮安计模块

2021-04-12 14:49:31 来源:Andrew Qiu
准确的弱电信号测量是各种科学分析设备、环境监测和过程控制的关键环节之一,尤其是当弱电信号达到pA甚至fA水平时。 如何测量微弱信号?这向来是各大仪器厂商津津乐道的话题。如何设计检测微弱电流的产品?这对设计者来说也是巨大的挑战。

一直以来,基于ADI的JFET放大器AD549芯片方案在微弱电流采样的前端扮演着主力中坚的角色,在仪器仪表行业持续横行了30多年,经久不衰。但由于JFET工艺的芯片短板很明显,它缺少Bipolar型放大器所拥有的低失调、低电压噪声以及低温漂高共模等特性,对于不同温度下的特性补偿很难拿捏得准确。随着科技的进步,ADI基于新型CMOS工艺,通过DigiTrim®技术革新,在2015年发布了ADA4530-1,在具备了极低的偏置电流和超高输入阻抗的同时,还拥有更低的失调电压,更优良的温漂特性,以及更高的环路带宽和ESD保护功能等等。以下图1是ADA4530和AD549的对比图,不难发现即使是高温的情况下,ADA4530依旧有着良好的偏置电流特性。
 
 
图1 ADA4530-1与AD549性能对比表

但不同的是,CMOS工艺往往推出的是SMT封装,实际在应用上增加了设计者的难度。由于AD549是DIP封装,用户只需要把输入引脚腾空就可以得到良好的绝缘效果,但ADA4530却不能,所以对如何挑选PCB的板材和PCB布线都有很高的设计要求。
(注:极低的输入偏置电流和极高的输入电阻要求,使得用于构建电路的材料的绝缘电阻常常成为最大的误差源。任何具有有限电阻且与高阻抗导体接触的绝缘体都会产生误差电流,比如PCB层压材料、电缆和连接器绝缘层)

针对以上应用难题,与ADI合作三十多年的技术型分销商Excelpoint世健上海技术团队,从ADA4530芯片预发布起就开始对其进行针对性的研究和技术积累。基于如何通过良好的设计全面发挥ADA4530-1的性能,Excelpoint世健在皮安级电流计量评估套件上不断更新设计和研发,自2020年9月推出超高精度皮安计模块EPSH-PAM2.0后得到了用户的一致好评。 近期更发布了超高精度皮安计模块的增强版本 EPSH-PAM2.0EP,为终端用户提供两种细分的选择,加速客户系统设计。(后文均以PAM2.0EP来描述)。

作为皮安计模组的进阶版产品,PAM2.0EP拥有更强的性能特点:


 
电路设计上, ADA4530-1通过10GR跨阻后进行IV转换,第二级则采用低噪的轨对轨零漂放大器ADA4522-1对 ADA4530输出的电压信号进行调理。值得一提的是,这里为方便客户单独使用模块的前端,世健在ADA4522-1上加入了增益可控电路(通过低Ron的多路开关ADG1608和固定阻值搭配达到增益可控)并留有测试点TP。

后端的模数转换器的选择上同样采用的是ADI经典24bit Δ-∑ ADC-AD7124,AD7124更像是一款小型采集系统,高精度的ADC内核以及内置的PAG能在灵活调整信号增益和采集的同时,还保证了低的增益误差和较高的ENOB值。另外,AD7124的三态工作模式,非常适合需要不同功耗领域的产品应用,它的数据采集速率最大可达到19.2KSPS。

在供电端,世健采用了两颗低噪声高电源抑制比的LDO,LTC3260和LT1762,前者是一颗功能性超强的Charge pump加内置正负输出型LDO的产品,可以很好的保证了运放的供电需求,后者则提供稳定的3.3V供给数字部分。


                                                            图2  PAM2.0EP系统框图

MCU部分采用的是Microchip ARM Cortex-M0,通过单片机内置USB端口与PC端对话。可视化的GUI界面可圈可点,用户可以通过安装Labview GUI软件,在PC端通过软件界面来实时的配置模块上的各个功能,让其给出信号波形、直方图以及统计分析等,同时软件还支持Excel数据导出,非常适合需要做长时间测试记录的用户。
 
 
 
图3 外观与软件界面

PAM2.0EP模块有者非常出色的线性度数据,不仅在常温下测试数据优异,在全温度范围下的线性度表现也非常出色。

模块的品质检测,均采用的是Keithley 6220源表测量,每款产品都会在不同的温度点进行多次测试,通过99个点的数据合格的情况下判定为可供出货产品,出厂产品均会配发这99点测试报告。被测点包括:
  1. 常温25⁰C,0~100pA范围中步进为10pA的11个数据测试点和1个底噪数据点
  2. 常温25⁰C, 0~20pA范围中步进为1pA的21个数据测试
  3. 温度40⁰C、55⁰C、 70⁰C、 85⁰C、 100⁰C和 115⁰C时,每个温度点0~100pA的范围中步进为10pA的11个数据测试点,共66个数据

在常温25°C 时

0-100pA的I-V曲线(见图4),线性度好于百万分之一(0.999999x)。

0-20pA的I-V曲线(见图5),线性度好于万分之一(0.9999x)。
 
图4  0-100pA的I-V曲线测试图表(温度25°C)
 
图5  0-20pA的I-V线性曲线测试 (温度25°C)

从图6测试结果看,在每个电流输入点,温度对电流引起的电流峰峰偏差ΔIp-p约为1pA。用户可以根据温度曲线,结合现场应用进行进一步线性化处理,提供精度。 
从40⁰C至115⁰C,以15⁰C为间隔的选择了7点温度点25⁰C, 40⁰C, 55⁰C, 70⁰C, 85⁰C, 100⁰C, 115⁰C,每个温度点下以10pA 每步从0到100pA测试11点数。
 
图6  40⁰C至115⁰C 温度下0-100pA的I-V曲线测试图表

世健技术支持部的高级副总裁戈一新向我们介绍道:“升级版的PAM2.0EP是针宽温度范围下的微弱电流检测应用来开发的,对比之前的版本,它提升了全温度范围下的性能和整体可靠性,我们通过大量的实验和测试保证了这一点。产品即使在高温下同样保持相当不错的噪声水平和线性度。我们会提供每款产品多点测试数据,希望帮助用户节省产品开发周期。”
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