電子元器件的發(fā)展史不過短短幾十年的時間，最近筆者卻發(fā)現(xiàn)了一款30年經(jīng)久不衰的模擬器件，它就是來自ADI公司的單芯片靜電計運算放大器AD549，據(jù)說發(fā)明這款器件的工程師是個天才，當年就可以把輸入偏置電流做到60 fA。這么講或許用戶根本沒什么概念，可以把fA和A的數(shù)量級作個對比，1fA=10-15 A，一般手機的待機功耗只有是7.5毫安（7.5X10-3A），經(jīng)過對比一下子就清楚fA有多小了吧。
    這個器件可以用于化學分析、環(huán)境監(jiān)控、過程控制等極小電流檢測的應用。關于這款器件的工作過程很多用戶都想了解，來自ADI公司線性產(chǎn)品部應用工程師郭劍做了詳細解釋，他以氣相色譜應用為例。在氣相色譜設備中，要測量電流首先需要傳感器，我們可以在檢測器里放上氫氣，然后點燃，氫氣燃燒后就會將待測物離子化，從而會形成電流。如果用戶檢測的是含碳化合物，含碳化合物含碳越多，被離子化的電流就會越大，因此通過電流大小就可以判斷含碳化合物中碳含量的多少，這個輸出的電流會被后面的放大器放大。從火焰檢測器中出來的電流一般是皮安級別甚至飛安級別，電流噪聲大概是在50fA的水平，因此需要一款fA級的放大器來進信號處理。
    偏置電流縮小三倍
    隨著科技的進步，在不同應用中要檢測的電流越來越小，因此我們用來檢測電流的器件，即放大器，也要跟上應用的需求。經(jīng)過多年的研發(fā)，ADI終于推出了AD549的升級產(chǎn)品ADA4530-1。郭劍介紹，“ADA4530-1和AD549最明顯的區(qū)別就是從直插式封裝升級為貼片式封裝，體積縮小，適應儀器設備小體積的需求。另外一個關鍵指標就是偏置電流，ADA4530-1運算放大器在125℃時的輸入偏壓電流是 250 fA，是競爭產(chǎn)品的二十分之一；在85℃時降至20 fA，為競爭產(chǎn)品的五十分之一。此外，ADA4530-1是唯一一款運算放大器可在室溫至 85℃范圍內保持最大20 fA的輸入偏置電流；也是同級產(chǎn)品中唯一一款在室溫至125℃范圍內偏壓電流通過完整生產(chǎn)測試的放大器。”
    內建保護緩沖器，有了ESD等級也實現(xiàn)偏置電流更小
    所有放大器芯片的內部，在輸入和輸出上對電源都會加兩個二極管，目的是防止ESD事件發(fā)生，比如說高壓過來時，芯片內部的ESD二極管就把高壓導到電源上，這樣就不會損壞放大器的內核，但是AD549沒有設置ESD，因為一旦內部加上ESD二極管之后，會產(chǎn)生一個反向的漏電流，這個漏電流會降低整個芯片的偏置電流指標，無法保證達到60fA，因此AD549的ESD的等級比較低，只有1000伏，這給很多客戶在設計中造成困擾。

ADA4530-1內部框圖

為了解決這個問題，ADA4530-1采用了CMOS工藝。郭劍指出，“如上圖所示，左邊方框中有6個二極管，這些二極管一部分功能是實現(xiàn)ESD的保護功能，ESD等級可以達到4000伏。而且內部設計了一個緩沖器，它會強制流過D1、D2、D3、D4的電壓是零，因為二極管兩邊的電壓一樣就沒有電流流過這個二極管，我們通過這樣一種特殊且創(chuàng)新的設計，使得之前因為引入ESD二極管導致的漏電流的問題得以規(guī)避。因此ADA4530-1既有4000伏ESD的等級，同時偏置電流還很小。”
    “內建保護緩沖器可以追蹤輸入共模電壓并提供輸出，用以驅動 PCB 保護環(huán)或互連屏蔽體，目的是減少傳感器與放大器之間敏感連接器中雜散電容的效應，從而簡化傳感器接口設計。當然，如果芯片本身不設計保護緩沖器，用戶為了達到設計參數(shù)也可以在電路中添加，只是ADI的芯片做好后，客戶無需再為所需輸出驅動器設計單獨的電路，因此可縮短設計時間、降低成本和縮小PCB空間。”郭劍補充。
    生產(chǎn)工藝對芯片技術參數(shù)的影響
    電子元器件的精度和生產(chǎn)工藝有著密切的關系，因此我們看到在代工領域，制造廠商爭相花大價錢進行生產(chǎn)線更新，從而實現(xiàn)更低的功耗，更高的產(chǎn)品性能。在放大器生產(chǎn)中，會用到三種工藝：Bipolar、J-FET和CMOS。如今ADI在市面上在售的放大器產(chǎn)品大約有700個型號，基本都是采用這三種工藝進行生產(chǎn)的。Bipolar的優(yōu)勢是噪聲低，J-FET和CMOS的優(yōu)勢是偏置電流低，因此要實現(xiàn)低的偏置電流會選擇J-FET工藝或者CMOS工藝。
    模塊化的評估套件方便客戶進行系統(tǒng)設計
    fA級信號本身非常弱，所以對客戶的設計能力有著較高的要求，包括PCB Layout能力，PCB材質的選擇，采用的生產(chǎn)工藝，都會影響信號的放大和提取。除此之外，外部環(huán)境也對這個信號帶來干擾，如噪聲、灰塵、溫度、濕度的變化，客戶面臨的挑戰(zhàn)進一步加重。因此，客戶急需一套模塊化、方便靈活的評估套件幫助其設計系統(tǒng)級產(chǎn)品。
    ADI代理商世健公司關注化學分析和環(huán)境儀器領域，以服務客戶為已任，通過研究產(chǎn)品，市場方向和科技趨勢提供正式解決方案，并且提供從元器件到技術支持的服務，以及供應鏈管理等一系列增值的服務。針對ADI的ADA4530-1，世健公司開發(fā)了皮安級電流計量評估套件，包括電流輸入轉換板、電壓輸入轉換板、引腳轉換板和數(shù)據(jù)采集板，可以用于光度計、氣相色譜儀、火焰離子化探測器和實驗級pH計。
    世健國際貿易（上海）有限公司技術支持部高級經(jīng)理熊祥介紹，“電流輸入轉換板關鍵元件采用插拔式設計，客戶可以根據(jù)實際需要安裝1M-1Gohm反饋電阻和不同型號的光電傳感器；電壓輸入轉換板對應電壓輸入時需要運放非常高的輸入阻抗，可用于自動滴定儀和高阻抗電壓型傳感器中；數(shù)據(jù)采集板采用超低噪聲的供電電路，同時采用USB供電和數(shù)據(jù)傳輸；引腳轉換板采用ADA4530-1，板上的管腳卻是按照AD549的管腳做了兼容化設計。板上集成電源轉換芯片，將AD549使用的+/-15V電源轉換成ADA4530-1支持的+/-5V。客戶使用AD549時會對負輸入管腳做懸空式連接，在引腳轉換板上這一設計也得到了繼承。這塊貼心的引腳轉換板使得客戶可以直接在原先使用AD549的產(chǎn)品上直接評估ADA4530-1的效果。另外，世健還設計了專業(yè)的分析軟件，可以觀察探測器所測量的數(shù)據(jù)譜圖及直方圖，計算統(tǒng)計數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值和標準方差等，并且可以另存為Excel文檔進行分析。”