測量來自極高阻抗傳感器的信號是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。這些傳感器的輸出阻抗為 Teraohms （1 × 1012Ω）. 來自法拉第杯和光電二極管等傳感器的微小信號電流需要靜電計(jì)級放大器進(jìn)行測量。這些放大器可以分辨小至 1 飛安 （1 × 10 的電流–15A） 配置為跨阻放大器 （TIA） 時(shí)。許多應(yīng)用需要保護(hù)這些電路免受超量程的影響。保護(hù)元件價(jià)格昂貴，會降低電路性能。本文將介紹這些保護(hù)電路以及提高性能同時(shí)降低成本的方法。

保護(hù)的必要性

高阻抗電流輸出傳感器設(shè)計(jì)為在零電壓偏置下工作。TIA電路強(qiáng)制傳感器兩端的電壓為0 V，當(dāng)所有傳感器電流流過反饋電阻時(shí)，傳感器電壓可能為零。負(fù)反饋迫使放大器輸出到電壓，使必要的電流流入反饋電阻。所需的輸出電壓等于傳感器電流乘以根據(jù)歐姆定律的反饋電阻。

放大器的輸出電壓擺幅限制了通過反饋電阻的最大電流。當(dāng)傳感器電流大于最大反饋電阻電流時(shí)，傳感器電壓不能保持在零。過大的電流會增加傳感器電壓，直到備用路徑可以吸收它。放大器中的靜電放電（ESD）保護(hù)器件通常會吸收這種多余的電流。

許多應(yīng)用程序無法容忍這種超量程，因?yàn)樗幕謴?fù)時(shí)間可能很長，并且可能會干擾其他通道。恢復(fù)時(shí)間長是由于電容必須放電。所有傳感器、電纜和輸入電容必須通過反饋電阻放電。反饋電阻限制放電速率。更糟糕的是，這些絕緣體的介電吸收會產(chǎn)生剩余電流以響應(yīng)電壓變化。這些剩余電流可能需要幾分鐘或幾小時(shí)才能完全消散。干擾是多個(gè)傳感器彼此靠近的系統(tǒng)的另一個(gè)問題。過載傳感器上的電壓變化電容耦合到相鄰?fù)ǖ馈＿@種耦合電容注入電流并破壞相鄰?fù)ǖ赖臏y量。

限幅電路

需要一個(gè)反饋限幅電路來避免超量程問題。反饋限幅器包括一個(gè)非線性反饋元件，可以處理大量電流，而不會產(chǎn)生削波放大器輸出的高電壓。一個(gè)簡單的反饋限幅器電路在反饋電阻上并聯(lián)添加一個(gè)二極管（圖 1）。隨著輸出電壓的降低，二極管（D1） 開始從傳感器傳導(dǎo)一些電流。二極管的指數(shù)特性使其能夠處理非常大量的傳感器電流，而不會削波放大器的輸出。

圖1.帶二極管限幅器的 TIA。

必須正確選擇用于限幅器的二極管，以免破壞電路性能;對于非常高阻抗的TIA電路來說，這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。在低輸出電壓下，二極管表現(xiàn)為電阻器，其電阻取決于飽和電流（IS).該電阻通常稱為二極管分流電阻。分流電阻與反饋電阻并聯(lián)，因此它必須比反饋電阻大得多，以避免破壞TIA的傳遞函數(shù)。這很困難，因?yàn)榉至麟娮杈哂兄笖?shù)溫度依賴性;溫度每升高 10°C，其值就會下降一半。靜電計(jì)電路中使用的巨大反饋電阻需要仔細(xì)選擇二極管。這些元件需要專門設(shè)計(jì)的低漏電二極管或小型分立式JFET的柵極二極管。這些專用二極管通常非常昂貴，每個(gè)成本為幾美元。

二極管的指數(shù)電流電壓特性也是該電路嚴(yán)重受限的原因。一旦施加電壓（V一個(gè)）變得大于熱電壓（kT/q），指數(shù)特性開始占主導(dǎo)地位。一旦輸出電壓幅度大于熱電壓，簡單限幅器TIA電路的線性度就會開始下降。室溫下的熱電壓僅為26 mV，這極大地限制了電路的動態(tài)范圍。

使用保護(hù)技術(shù)可以減少簡單限幅器的輸出范圍限制（圖 2）。限幅二極管兩端的電壓（D1） 被驅(qū)動為零，R1電阻器。此電壓（V警衛(wèi)） 可由放大器通過輸出二極管 （D2).反饋限制在 V 開始警衛(wèi)超過熱電壓，允許 D1進(jìn)行。電阻器 R1可以調(diào)整尺寸以需要來自 D 的大量電流2以產(chǎn)生此壓降。例如，1 kΩ電阻需要26 μA二極管電流才能產(chǎn)生26 mV壓降;這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一個(gè)簡單的限幅器所需的數(shù)十飛安。這些大電流降低了對輸出二極管的要求。常規(guī)二極管可用于2而不是D所需的專用二極管1.該電路允許通過替換D來調(diào)整輸出范圍2帶有一系列二極管或單個(gè)齊納二極管。也可以通過用適當(dāng)?shù)姆床⒙?lián)二極管或背靠背齊納二極管替換每個(gè)二極管來修改這些電路以進(jìn)行雙向限制。

圖2.TIA 帶保護(hù)二極管限幅器。

與簡單的二極管限幅器相比，受保護(hù)電路提供了相當(dāng)大的性能改進(jìn)，但它仍然取決于昂貴的D的性能1二極管。這些價(jià)格和性能限制可以通過使用靜電計(jì)放大器來消除，該放大器具有帶保護(hù)引腳的內(nèi)部保護(hù)緩沖器。ADA4530-1就是這樣一種放大器。1該放大器的內(nèi)部保護(hù)緩沖器以保護(hù)電壓驅(qū)動ESD保護(hù)二極管。該保護(hù)電壓通過消除ESD二極管兩端的壓降來保持較低的輸入偏置電流。這些ESD二極管專門設(shè)計(jì)用于具有非常低的漏電流。

這些片內(nèi) ESD 二極管可用于受保護(hù)的限幅器電路（圖 3）。ESD二極管現(xiàn)在具有特種二極管D的功能1.保護(hù)緩沖器具有1 kΩ輸出電阻，用作電阻R1.唯一的外部元件是輸出二極管D2.該輸出二極管連接在保護(hù)引腳（引腳7）和輸出電壓之間。一旦在V上產(chǎn)生熱電壓，電路就開始限制警衛(wèi)節(jié)點(diǎn)。

圖3.TIA 保護(hù)型 ESD 二極管限幅器。

測量結(jié)果

構(gòu)建了一個(gè)100 GΩ TIA電路，比較使用專用低漏電二極管的簡單二極管限幅器和使用ESD二極管的受保護(hù)限幅器的性能。所有所用組件的部件號見表1。對靜電計(jì)放大器評估板進(jìn)行了修改，以構(gòu)建這些電路。值得一提的是，放大器保護(hù)輸出不應(yīng)用于驅(qū)動保護(hù)環(huán)，因?yàn)樗碾妷簳l(fā)生變化。保護(hù)環(huán)應(yīng)由同相放大器輸入端的信號接地連接驅(qū)動。

通過強(qiáng)制將來自靜電計(jì)級源測量單元 （SMU） （Keithley 6430） 的測試電流強(qiáng)制進(jìn)入電路并使用高精度數(shù)字萬用碼 （Keysight 3458a） 測量輸出電壓來評估電路。所有測試均在 25°C 下使用 ±5 V 電源完成。測試電流范圍為 10 fA 至 100 pA，輸出電壓范圍為 1 mV 至 5 V（圖 4）。通過繪制理想輸出電壓和實(shí)際輸出電壓之間的差異來評估線性度（圖 5）。基準(zhǔn)性能是在沒有任何反饋限制器（黑色曲線）的情況下建立的。在沒有限制的情況下，在放大器輸出擺幅至電源軌之前，誤差小于1 mV。

圖4.用于測量限幅器的 TIA 傳遞函數(shù)。

圖5.測量限幅器的 TIA 傳遞函數(shù)誤差。

簡單的二極管限幅電路是使用低漏電PAD1二極管實(shí)現(xiàn)的。PAD1二極管是此類應(yīng)用的常見選擇。簡單限幅器（紅色曲線）的性能與低測試電流下的基線相同。這意味著二極管的飽和電流電阻明顯高于100 GΩ（25°C時(shí)）。正如預(yù)期的那樣，輸出范圍非常有限;在600 fA測試電流下，輸出誤差超過1 mV。該測試電流電平對應(yīng)于60 mV輸出電壓范圍。

使用低成本1N4148輸出二極管（D2).同樣，這種受保護(hù)的限制器性能（藍(lán)色曲線）與低測試電流下的基線性能相匹配。集成在靜電計(jì)放大器上的低漏電ESD二極管是造成這種良好性能的原因。1N4148 僅提供反饋電流。動態(tài)范圍也得到了改善，在誤差超過1 mV之前需要2.5 pA的測試電流。這相當(dāng)于250 mV輸出范圍，提高了4×。

該電路的靈活性通過用1N5230齊納二極管代替輸出二極管來證明。在低測試電流下，該電路的性能與基線電路相同（綠色曲線）。動態(tài)范圍擴(kuò)展到標(biāo)準(zhǔn)二極管之外。在誤差超過1 mV之前，需要10 pA的測試電流。這表示1 V輸出范圍。該電路開始限制齊納電流遠(yuǎn)小于規(guī)定的1 mA，以實(shí)現(xiàn)4.7 V標(biāo)稱擊穿電壓。齊納二極管最好在其額定擊穿下工作，以獲得最大的動態(tài)范圍，同時(shí)降低溫度靈敏度。可提供電流較低的齊納二極管，例如 1N4624。工作電流也可以通過在V之間增加一個(gè)外部電阻來增加。警衛(wèi)和信號接地。27Ω電阻需要1 mA齊納電流才能降低ESD二極管兩端的熱電壓。

總之，靜電計(jì)級傳感器接口通常需要反饋限制電路。這些電路需要專用二極管，每個(gè)二極管的成本為幾美元。這些專用二極管可以用具有保護(hù)緩沖輸出的靜電計(jì)放大器的ESD二極管代替，例如ADA4530-1。這種方法創(chuàng)造了一個(gè)高性能限幅器，只需要一個(gè)外部元件，每件成本幾美分。

審核編輯：郭婷