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世健推出增強版超寬溫度范圍、高精度皮安計模塊

—— 優秀只是及格線
作者:Andrew Qiu時間:2021-12-05來源:電子產品世界收藏
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準確的弱電信號測量是各種科學分析設備、環境監測和過程控制的關鍵環節之一,尤其是當弱電信號達到pA甚至fA水平時。 如何測量微弱信號?這向來是各大儀器廠商津津樂道的話題。如何設計檢測微弱電流的產品?這對設計者來說也是巨大的挑戰。

本文引用地址:http://www-espreccino-com.cornucopia-lodge.com/article/202104/424287.htm

一直以來,基于ADI的JFET放大器AD549芯片方案在微弱電流采樣的前端扮演著主力中堅的角色,在儀器儀表行業持續橫行了30多年,經久不衰。但由于JFET工藝的芯片短板很明顯,它缺少Bipolar型放大器所擁有的低失調、低電壓噪聲以及低溫漂高共模等特性,對于不同溫度下的特性補償很難拿捏得準確。隨著科技的進步,ADI基于新型CMOS工藝,通過DigiTrim?技術革新,在2015年發布了ADA4530-1,在具備了極低的偏置電流和超高輸入阻抗的同時,還擁有更低的失調電壓,更優良的溫漂特性,以及更高的環路帶寬和ESD保護功能等等。以下圖1是ADA4530和AD549的對比圖,不難發現即使是高溫的情況下,ADA4530依舊有著良好的偏置電流特性。

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圖1 ADA4530-1與AD549性能對比表

但不同的是,CMOS工藝往往推出的是SMT封裝,實際在應用上增加了設計者的難度。由于AD549是DIP封裝,用戶只需要把輸入引腳騰空就可以得到良好的絕緣效果,但ADA4530卻不能,所以對如何挑選PCB的板材和PCB布線都有很高的設計要求。

(注:極低的輸入偏置電流和極高的輸入電阻要求,使得用于構建電路的材料的絕緣電阻常常成為最大的誤差源。任何具有有限電阻且與高阻抗導體接觸的絕緣體都會產生誤差電流,比如PCB層壓材料、電纜和連接器絕緣層)

針對以上應用難題,與ADI合作三十多年的技術型分銷商Excelpoint世健上海技術團隊,從ADA4530芯片預發布起就開始對其進行針對性的研究和技術積累?;谌绾瓮ㄟ^良好的設計全面發揮ADA4530-1的性能,Excelpoint世健在皮安級電流計量評估套件上不斷更新設計和研發,自2020年9月推出超高精度皮安計模塊EPSH-PAM2.0后得到了用戶的一致好評。 近期更發布了超高精度皮安計模塊的增強版本 EPSH-PAM2.0EP,為終端用戶提供兩種細分的選擇,加速客戶系統設計。(后文均以PAM2.0EP來描述)。

作為皮安計模組的進階版產品,PAM2.0EP擁有更強的性能特點:

PAM2.0EP優勢特點



更強的對外絕緣能力

利用多年的設計研究經驗,優選SMA接口和PCB板材,PCB設計采用的是4層板布局及FR-4 PCB板材,利用良好的物理懸空結構設計,大大增加了PCB對外的絕緣阻值



更強的對外屏蔽能力和通用性

采用的雙金屬屏蔽罩,有效的降低來自外界的干擾

(套件中還提供了一根高性能屏蔽線用于BNC轉SMA,便于與各種電流輸入源對接)



極高的數據線性度

產品擁有超高的線性度,并在溫度范圍內也能得到良好的線性保障



超低噪聲

相比之前的模塊,擁有更低的噪聲系數以及超低的本體底噪



高性價比

采用Ohmite低溫漂高精度的10G電阻



更寬溫度范圍下的產品的性能保障

常溫到115?C溫度范圍內進行99個點的數據測試保障

每個皮安計模塊都經過較為嚴格的加工工藝及85?C 8小時的老化

(模塊工作溫度范圍為-35?C to +115?C)




電路設計上, ADA4530-1通過10GR跨阻后進行IV轉換,第二級則采用低噪的軌對軌零漂放大器ADA4522-1對 ADA4530輸出的電壓信號進行調理。值得一提的是,這里為方便客戶單獨使用模塊的前端,世健在ADA4522-1上加入了增益可控電路(通過低Ron的多路開關ADG1608和固定阻值搭配達到增益可控)并留有測試點TP。

后端的模數轉換器的選擇上同樣采用的是ADI經典24bit Δ-∑ ADC-AD7124,AD7124更像是一款小型采集系統,高精度的ADC內核以及內置的PAG能在靈活調整信號增益和采集的同時,還保證了低的增益誤差和較高的ENOB值。另外,AD7124的三態工作模式,非常適合需要不同功耗領域的產品應用,它的數據采集速率最大可達到19.2KSPS。

在供電端,世健采用了兩顆低噪聲高電源抑制比的LDO,LTC3260和LT1762,前者是一顆功能性超強的Charge pump加內置正負輸出型LDO的產品,可以很好的保證了運放的供電需求,后者則提供穩定的3.3V供給數字部分。

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圖2  PAM2.0EP系統框圖

MCU部分采用的是Microchip ARM Cortex-M0,通過單片機內置USB端口與PC端對話??梢暬腉UI界面可圈可點,用戶可以通過安裝Labview GUI軟件,在PC端通過軟件界面來實時的配置模塊上的各個功能,讓其給出信號波形、直方圖以及統計分析等,同時軟件還支持Excel數據導出,非常適合需要做長時間測試記錄的用戶。

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圖3 外觀與軟件界面

PAM2.0EP模塊有者非常出色的線性度數據,不僅在常溫下測試數據優異,在全溫度范圍下的線性度表現也非常出色。

模塊的品質檢測,均采用的是Keithley 6220源表測量,每款產品都會在不同的溫度點進行多次測試,通過99個點的數據合格的情況下判定為可供出貨產品,出廠產品均會配發這99點測試報告。被測點包括:

1.常溫25?C,0~100pA范圍中步進為10pA的11個數據測試點和1個底噪數據點

2.常溫25?C, 0~20pA范圍中步進為1pA的21個數據測試點

3.溫度40?C、55?C、 70?C、 85?C、 100?C和 115?C時,每個溫度點0~100pA的范圍中步進為10pA的11個數據測試點,共66個數據

在常溫25°C 時

0-100pA的I-V曲線(見圖4),線性度好于百萬分之一(0.999999x)。

0-20pA的I-V曲線(見圖5),線性度好于萬分之一(0.9999x)。

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圖4  0-100pA的I-V曲線測試圖表(溫度25°C)

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圖5  0-20pA的I-V線性曲線測試 (溫度25°C)

從圖6測試結果看,在每個電流輸入點,溫度對電流引起的電流峰峰偏差ΔIp-p約為1pA。用戶可以根據溫度曲線,結合現場應用進行進一步線性化處理,提供精度。

從40?C至115?C,以15?C為間隔的選擇了7點溫度點25?C, 40?C, 55?C, 70?C, 85?C, 100?C, 115?C,每個溫度點下以10pA 每步從0到100pA測試11點數。

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圖6  40?C至115?C 溫度下0-100pA的I-V曲線測試圖表

世健技術支持部的高級副總裁戈一新向我們介紹道:“升級版的PAM2.0EP是針寬溫度范圍下的微弱電流檢測應用來開發的,對比之前的版本,它提升了全溫度范圍下的性能和整體可靠性,我們通過大量的實驗和測試保證了這一點。產品即使在高溫下同樣保持相當不錯的噪聲水平和線性度。我們會提供每款產品多點測試數據,希望幫助用戶節省產品開發周期?!?/p>

據悉,目前相關模塊都已在世健網店出售。



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