作者 Xavier Xiong
在模拟的世界里，微弱电流信号的测量通常是工程师需要面对的棘手挑战。随着各种仪器仪表的产品性能迭代以及各种新应用的层出不穷，对于微弱电流的测量范围已经从微安级（μA）提升到了皮安级（pA），提升了足足一百万倍！
为了测量微弱的电流，通常工程师将运放进行跨阻方式连接，见图1所示。
图 1 跨阻放大器
理想运算放大器的反相输入端处于虚地，输入端所有电流流经反馈电阻 R f ，因此输出电压Vout = R f × I d 。
所以工程师只需要选择一个Rf为10GΩ的电阻，就可以将1pA的电流信号变换成10mV的电压信号了吗？答案是否定的。工程师会面临非常多的挑战：来自运放自身的偏置电流误差，环境温度与湿度的变化，PCB板的泄漏电流，输入端与线路噪声，电磁干扰等等，这些都是摆在精密测量方面的难题。
选择一款超低偏置电流的放大器成为了工程师挑战系统性能的关键。1987年，一款JFET放大器AD549横空出世，成为了精密电流测量应用三十年来经久不衰的经典产品。光谱仪，气相色谱仪，静电计应用中处处可见其身影。其低至100-250fA的输入偏置电流（图2）以及优异的温漂曲线以今天的眼光来看，都是几无对手。
图2 摘自AD549数据手册
以超越致敬经典，这成为了ADI人对技术的一种追求。2015年底，ADA4530-1正式亮相。以CMOS的工艺实现了JFET的性能挑战。其失调电压最大50μV，偏置电流在−40°C 至+85°C范围内均不超过20fA —— 高温性能比AD549提升了几百倍。
图 3 摘自ADA4530-1数据手册
图4 前置放大器的共模抑制
有了优异的器件，如何将其性能发挥出来，从系统设计的角度去满足皮安级电流测量的性能要求？针对中国工程师的需求，世健上海技术团队挑战难关，在原有设计的皮安级电流计量评估套件的基础上做了大幅度的改进，于2020年10月正式发布了可商业化的超高精度皮安计模块 EPSH-PAM2.0 （以下简称PAM2.0模块）。
世健技术支持部的高级副总裁戈一新表示道：“精心的模块设计，严格的工艺制作，保证了PAM2.0模块的性能与质量。50µV（相当于5fA）的RMS底噪，能满足绝大部分微弱电流信号测量用户的需求。”
图5 外观与软件界面
PAM2.0模块采用4层板布局及FR-4 PCB板材。工程师巧妙的采用了AD549国内经典的反相端悬空柱接方式，使得FR-4板材的效果依旧可以媲美ROGERS4350板材而成本大大降低。PAM2.0模块的输入端子为SMA接口。模块套件包含了一根BNC转SMA高性能屏蔽线，便于与各种电流输入源对接。模块采用了双金属屏蔽罩降低各种噪声和干扰。在设计和生产过程中，工程师对不同供应商的10GΩ电阻进行了全方位的评估测试，从中挑选出性能优异的电阻确保模块的性能。PAM2.0模块简化了电源设计，使用LTC3260 双路低噪声LDO为ADA4530-1供电。在次级信号的放大选择上，客户既可以使用ADA4522-1与ADG1608的组合进行硬件电路放大，亦可使用AD7124-4片内PGA软件程控放大，从而灵活的比较两种方式的性能和成本。ADC选择了最新的AD7124-4, 它具有24位19.2KSPS最高输出数据率，并提供三种功耗模式（低/中/全性能），从而让客户在设计便携式测量应用时无需更改硬件。若客户需要更高的采样率ADC，亦可从TP2端与各种ADC评估板进行对接。精心设计的LABVIEW GUI提供了模块配置、实时波形显示、直方图和统计分析、测试数据导出成Excel文件等功能。
图6 系统框图
匠心设计的收获是显而易见的：使用Keithley 6220源表进行测试，PAM2.0模块在0-20pA的I-V曲线测试中，线性度达到了0.9999x；在0-100pA的测试中，线性度达到了0.999999x。PAM2.0每款模块均进行出厂线性度评估并配发85点测试报告。
图7 0-100pA 21点I-V线性度测试图
应用领域
- 科学分析仪器及仪表，如分光光度计，色谱仪，质谱仪，皮安计等
- 环境监测设备
- 工业过程控制
- 体外诊断设备
- PCB泄漏测量和ICT/FCT测试仪
- 工业过程控制
