作者 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，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，我们在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，我们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个数据测试点
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介绍道：“升级版的PAM2.0EP是针对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。”
目前超高精度皮安计模块 (EPSH-PAM2.0)和超高精度皮安计模块 (EPSH-PAM2.0EP)温度与可靠性加固版都已上线世健网店出售。
