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这款30年经久不衰的飞安级运算放大器终于升级换代了

2017-08-15 16:07
来源: EEFOCUS

电子元器件的发展史不过短短几十年的时间,最近笔者却发现了一款30年经久不衰的模拟器件,它就是来自ADI公司的单芯片静电计运算放大器AD549,据说发明这款器件的工程师是个天才,当年就可以把输入偏置电流做到60 fA。这么讲或许用户根本没什么概念,可以把fA和A的数量级作个对比,1fA=10-15 A,一般手机的待机功耗只有是7.5毫安(7.5X10-3A),经过对比一下子就清楚fA有多小了吧。
    这个器件可以用于化学分析、环境监控、过程控制等极小电流检测的应用。关于这款器件的工作过程很多用户都想了解,来自ADI公司线性产品部应用工程师郭剑做了详细解释,他以气相色谱应用为例。在气相色谱设备中,要测量电流首先需要传感器,我们可以在检测器里放上氢气,然后点燃,氢气燃烧后就会将待测物离子化,从而会形成电流。如果用户检测的是含碳化合物,含碳化合物含碳越多,被离子化的电流就会越大,因此通过电流大小就可以判断含碳化合物中碳含量的多少,这个输出的电流会被后面的放大器放大。从火焰检测器中出来的电流一般是皮安级别甚至飞安级别,电流噪声大概是在50fA的水平,因此需要一款fA级的放大器来进信号处理。
    偏置电流缩小三倍
    随着科技的进步,在不同应用中要检测的电流越来越小,因此我们用来检测电流的器件,即放大器,也要跟上应用的需求。经过多年的研发,ADI终于推出了AD549的升级产品ADA4530-1。郭剑介绍,“ADA4530-1和AD549最明显的区别就是从直插式封装升级为贴片式封装,体积缩小,适应仪器设备小体积的需求。另外一个关键指标就是偏置电流,ADA4530-1运算放大器在125℃时的输入偏压电流是 250 fA,是竞争产品的二十分之一;在85℃时降至20 fA,为竞争产品的五十分之一。此外,ADA4530-1是唯一一款运算放大器可在室温至 85℃范围内保持最大20 fA的输入偏置电流;也是同级产品中唯一一款在室温至125℃范围内偏压电流通过完整生产测试的放大器。”
    内建保护缓冲器,有了ESD等级也实现偏置电流更小
    所有放大器芯片的内部,在输入和输出上对电源都会加两个二极管,目的是防止ESD事件发生,比如说高压过来时,芯片内部的ESD二极管就把高压导到电源上,这样就不会损坏放大器的内核,但是AD549没有设置ESD,因为一旦内部加上ESD二极管之后,会产生一个反向的漏电流,这个漏电流会降低整个芯片的偏置电流指标,无法保证达到60fA,因此AD549的ESD的等级比较低,只有1000伏,这给很多客户在设计中造成困扰。

这款30年经久不衰的飞安级运算放大器终于升级换代了

ADA4530-1内部框图

为了解决这个问题,ADA4530-1采用了CMOS工艺。郭剑指出,“如上图所示,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。因此ADA4530-1既有4000伏ESD的等级,同时偏置电流还很小。”
    “内建保护缓冲器可以追踪输入共模电压并提供输出,用以驱动 PCB 保护环或互连屏蔽体,目的是减少传感器与放大器之间敏感连接器中杂散电容的效应,从而简化传感器接口设计。当然,如果芯片本身不设计保护缓冲器,用户为了达到设计参数也可以在电路中添加,只是ADI的芯片做好后,客户无需再为所需输出驱动器设计单独的电路,因此可缩短设计时间、降低成本和缩小PCB空间。”郭剑补充。
    生产工艺对芯片技术参数的影响
    电子元器件的精度和生产工艺有着密切的关系,因此我们看到在代工领域,制造厂商争相花大价钱进行生产线更新,从而实现更低的功耗,更高的产品性能。在放大器生产中,会用到三种工艺:Bipolar、J-FET和CMOS。如今ADI在市面上在售的放大器产品大约有700个型号,基本都是采用这三种工艺进行生产的。Bipolar的优势是噪声低,J-FET和CMOS的优势是偏置电流低,因此要实现低的偏置电流会选择J-FET工艺或者CMOS工艺。
    模块化的评估套件方便客户进行系统设计
    fA级信号本身非常弱,所以对客户的设计能力有着较高的要求,包括PCB Layout能力,PCB材质的选择,采用的生产工艺,都会影响信号的放大和提取。除此之外,外部环境也对这个信号带来干扰,如噪声、灰尘、温度、湿度的变化,客户面临的挑战进一步加重。因此,客户急需一套模块化、方便灵活的评估套件帮助其设计系统级产品。
    ADI代理商世健公司关注化学分析和环境仪器领域,以服务客户为已任,通过研究产品,市场方向和科技趋势提供正式解决方案,并且提供从元器件到技术支持的服务,以及供应链管理等一系列增值的服务。针对ADI的ADA4530-1,世健公司开发了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。
    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,“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-1Gohm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。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。这块贴心的引脚转换板使得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。”


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