CN0407 針對更高范圍的電流測量，請使用AD8605/AD8606/AD8608或AD8615/AD8616/AD8618。這些放大器具有較高的pA級輸入偏置電流，以換取更寬的帶寬。 其他適合數據采集的ADC包括24位AD7175-2和AD7124-4。 本電路使用EVAL-CN0407-SDPZ評估板和SDP-S系統演示平臺(EVAL-SDP-CS1Z)評估板。 評估軟件與SDP-S板通信以獲取EVAL-CN0407-SDPZ的數據。 設備要求 需要以下設備： 帶USB端口的Windows?XP、Windows Vista（32位）或Windows 7（32位）PC EVAL-CN0407-SDPZ評估板，包括低泄漏夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ)和數據采集板(EVAL-CN0407-2-SDPZ) SDP-S板(EVAL-SDP-CS1Z) 9 V直流電源或壁式電源適配器 EVAL-CN0407-SDPZ評估軟件，可從以下網址下載：ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0407/ 另外，建議使用高質量同軸電纜組件以將所需信號連接到電路板。 測試設置的功能框圖 圖7所示為測試設置的功能框圖。 ? 圖7.測試設置功能框圖 ? 開始使用 下載評估軟件（網址位于ftp://ftp.analog.com/pub/cftl/CN0407/），然后運行setup.exe文件進行安裝。 將EVAL-CN0407-SDPZ和SDP-S板連在一起，并通過USB電纜將SDP-S板連接到PC。將9 V直流電源連接到EVAL-CN0407-SDPZ板，并加載名為CN0407 Evaluation Software的用戶界面安裝程序軟件，該軟件位于Program Files -> Analog Devices下。一旦USB通信建立，SDP-S板就可以發送、接收、采集來自EVAL-CN0407-SDPZ的串行數據。 SDP-S用戶指南(UG-291)含有關于SDP-S板的詳細信息。 應用筆記AN-1373提供了關于低電流測量的更多信息。 運行評估軟件 評估軟件有一個Sampled Data（采樣數據）選項卡，可顯示時域和頻域數據，以及一個 Configuration（配置）選項卡，可設置觸發、失調校正、板配置、手動校準等參數。 Configuration（配置）選項卡 圖8所示為Configuration （配置）選項卡。Triggering （觸發）部分以圖形方式說明了觸發功能。選中所需的復選框以使能觸發輸入或觸發輸出，并輸入觸發輸入信號、觸發輸出信號與ADC開始采集數據之間的延遲。選中Offset Cancellation（失調消除）框可測量并消除ADC輸入失調和輸入偏置電流引起的偏置誤差。 ? 圖8.Configuration（配置）選項卡 ? Board Configuration（板配置）位于Amplifier Configuration & Calibration Parameters（放大器配置和校準參數）部分，設置板配置以使其匹配夾層板上的放大器配置。交貨時放大器配置為跨阻模式，默認設置為Current Input（電流輸入）。在這種模式下，反饋電阻控制是可見的，允許將其更改為與出廠配置值不同的值。默認設置為10 GΩ。Full Scale Input Range（滿量程輸入范圍）值代表系統的滿量程輸入，折合到輸入端，基于反饋電阻或指定增益（配置為電壓緩沖器時）的值來計算。 除失調補償外，用戶還可以提供增益和失調值來對系統應用手動校準。默認情況下，Offset Adjustment（失調調整）設置為0，Gain Adjustment（增益調整）設置為1。評估軟件中呈現的數據對應于以下公式： ? ?? ??輸出測量結果 = (原始讀數 + 失調調整) × 增益調整 LED Configuration（配置）選項卡中的Configuration （LED配置）控制板載LED。單擊General Purpose LED（通用LED）會開啟或關閉對應的LED，即DS2（參見CN-0407設計支持包中的相應詳細原理圖）。單擊General Purpose LED（通用LED）是驗證系統是否在與評估軟件通信的快捷方法。此外，若選中Turn off Board LEDs During Sampling（采樣期間關閉板載LED），則當ADC正在采集數據時，電源(DS1)和通用LED (DS2)會關閉。使用光電二極管或其他光傳感器時，關閉板載LED可改善測量。 Sampled Data（采樣數據）選項卡 ? 圖9.Sampled Data（采樣數據）選項卡 ? Sample Rate（采樣速率）下拉框用于選擇ADC輸出數據速率，其范圍為0.83 SPS到867.3 SPS。 選擇所需采樣速率之后，選擇采集數據時長（單位為秒）。此選擇決定屏幕上顯示多少數據及存儲器中保留多少數據。單擊Start Sampling（開始采樣）即開始采集數據。若輸出數據速率為19.99 SPS或更慢，顯示畫面會以滾動窗口進行連續更新。若輸出數據速率大于19.99 SPS，則圖表的更新速率等于采集窗口的持續時間。屏幕底部的狀態欄會倒數距離下一次更新的剩余時間。 在Continuous （連續）采集中，系統持續采集數據，直至用戶單擊Stop Sampling（停止采樣）。在Single （單次）采集中，系統在達到指定的Buffer Size（緩沖器大小）后停止采樣。 位于Start Sampling（開始采樣）按鈕之上的指示器會顯示時域信息，如信號的直流值和標準差等。測量直流輸入時，標準差等于信號的有效值噪聲。 Sampled Data（采樣數據）選項卡下方顯示來自系統的頻域數據。右邊的控件將頻域圖配置為功率譜或功率譜密度。用戶還可以配置窗口類型，使能平均值計算，配置要平均的數目。當顯示功率譜圖時，請使用Y軸定標控件將Y軸單位設置為滿量程的dB或線性單位（伏特或安培，取決于板配置）。 單擊Save Data To CSV File（數據另存為CSV文件）可將當前時域和頻域圖表保存為兩個逗號分隔文件。 系統測試 接通外部電源，啟動評估軟件。如果設備管理器中列出了Analog Devices系統開發平臺驅動程序，軟件便能與EVAL-CN0407-SDPZ通信。一旦USB通信建立，SDP-S板就可以發送、接收、采集來自EVAL-CN0407-SDPZ的串行數據。 要測量系統噪聲，務必將屏蔽體安裝在板上，并且切勿將任何東西連接到輸入SMA連接器。為實現最佳性能，請將整個總成放在接地的金屬箱內。 在Configuration （配置）選項卡中，選中Offset Cancellation（失調消除）框，并確保將系統配置為采用10 GΩ電阻的Current Input（電流輸入）模式。在Sampled Data（采樣數據）選項卡中，從下拉框中選擇所需的采樣速率，然后單擊Start Sampling（開始采樣）。10 GΩ電阻的熱噪聲可能是系統的主要噪聲；因此，為獲得最佳性能，應選擇可接受的最低采樣速率。例如，圖10顯示了以0.83 SPS采樣120分鐘時的系統噪聲。相應的有效值噪聲為1.4 fA，直流值為?150 aA。 ? 圖10.輸入開路、0.83 SPS時的采樣數據 ? 圖11和圖12為EVAL-CN0407-SDPZ照片，包括低泄漏夾層板和數據采集板。 ? 圖11.EVAL-CN0407-SDPZ（未安裝屏蔽體） ? 圖12.EVAL-CN0407-SDPZ照片（已安裝屏蔽體） ? 低泄漏夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ) 夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ)基于FR-4和Rogers 4350B混合層壓板制作，以使漏電流盡可能低。外面兩層為陶瓷(Rogers 4350B)，內層為標準玻璃環氧樹脂薄片(FR-4)。當濕度較大時，相比于玻璃或環氧樹脂材料，Rogers 4350B材料可提供優異的絕緣電阻。它還能使漏電流最小，介電弛豫時間比玻璃或環氧樹脂電介質要短得多。有關介電弛豫的更多信息，請參閱ADA4530-1數據手冊。 圖2顯示了電路板各層的堆疊情況。所有敏感走線皆位于頂層，且被保護走線、過孔和平面包圍。 圖2.夾層板各層堆疊 ? 采用玻璃電阻的跨阻放大器 圖3.低泄漏夾層板(EVAL-CN0407-1-SDPZ)詳細原理圖 ? 圖3為夾層板詳細原理圖，其中ADA4530-1配置為跨阻放大器(TIA)，采用默認的10 GΩ玻璃電阻。在此配置中，一條實心線從SMA連接器的中心引腳焊接到?IN焊盤。SMA輸入連接器的中心引腳與外屏蔽體之間有聚四氟乙烯 (PTFE)電介質。該連接器安裝在夾層板底部，PTFE核心和中心引腳通過頂部突出。由于連接是用架空線通過突出的中心引腳連接到板頂部的焊盤，因此所有關鍵的高阻抗走線皆位于板頂部，板底部的屏蔽體因而也就不需要。頂部有金屬屏蔽體以防止靜電干擾。 默認情況下，夾層板上的器件按照表1所示進行配置和預裝。 表1.采用玻璃電阻的TIA默認設置 元件 值 R1 0 Ω R2, R3, R4, R6 開路 R5 0 Ω 反饋電阻 10 GΩ玻璃電阻位于主板的特氟龍支柱上。一個引腳（高阻抗引腳）插入夾層板上的單針插座P2中，另一個引腳焊接到數據采集板上的J4（這是一個低阻抗節點）。 采用10 GΩ反饋電阻且輸出電壓范圍為4.96 V時，對應的電流輸入范圍為±496 pA。 采用SMT電阻的跨阻放大器配置 對于不需要玻璃電阻所提供的低漏電流性能的應用，可以使用R2，后者支持0805、1206、1210和2510四種尺寸的SMT電阻。跨阻放大器配置如圖4所示。 在該配置中，從夾層板上的P2中移除玻璃電阻引腳，用R2處的電阻代替。在該配置中，一個較小金屬屏蔽體（單獨提供）剛好貼合在夾層板上，使其尺寸更小。另外可以將夾層板移出來進行單獨評估，或作為最終系統的一部分與數據采集板分開評估。 圖4.采用SMT電阻的TIA配置 ? 高阻抗電壓輸出傳感器的緩沖器配置 夾層板還有焊盤可用來將放大器配置為緩沖器或同相放大器，以支持高阻抗電壓輸出傳感器。為配置該板執行電壓調理功能，應將一條實心線從SMA連接器的中心引腳連接到+IN焊盤，并使用表2所示的設置。 表2.電壓緩沖配置的設置 元件 值 R1, R5, R6 開路 R2, R3 所需增益對應的值 R4 0 Ω 利用表2中的設置，SMA屏蔽體連接到保護電壓。使用Poke-Home連接器J5（夾層板底部）將接地基準電壓連接到電路。 當該板配置為電壓緩沖模式時，如圖5所示，受ADA4530-1共模輸入電壓范圍限制，輸出范圍大約是?4.96 V至+3.5 V。如果配置放大器的閉環增益大于1，那么必須限制輸入范圍以維持放大器輸入的共模范圍。 圖5.高輸入阻抗電壓緩沖配置 ? 數據采集板(EVAL-CN0407-2-SDPZ) 數據采集板(EVAL-CN0407-2-SDPZ)包含電源管理、數字隔離、24位ADC和精密基準電壓源。除了與夾層板對接之外，此板還與SDP-S板對接，進而通過USB接口連接到PC。關于數據采集板的詳細原理圖和布局，請參閱CN-0407設計支持包(www.analog.com/CN0407-DesignSupport)。 電源管理 圖6為位于數據采集板上的電源管理部分的簡圖。外部9 V直流電源連接到管式連接器J1，為夾層板、ADC和數字隔離部分供電。電源輸入端包括瞬態過壓保護和防反接功能。三個低噪聲線性穩壓器ADP7118分別為ADA4530-1產生5 V電壓，為AD7172-2 ADC的模擬前端產生2.5 V電壓，為數字輸入/輸出電路和隔離器產生3.3 V電壓。 SDP-S板為該板的隔離部分供電。 圖6.電源簡化框圖 ? 板載LED可指示電源是否接通，系統是否正常工作。某些應用可能使用低靈敏度的光傳感器，故評估軟件有一個在電路板采集數據時關閉DS1的選項。 基于ADP2442構建的反相降壓穩壓器接受直流輸入，生成大約?5.8 V電壓。開關控制器以固定頻率模式（強制PWM）工作，相對效率較低（相比于跳脈沖模式），但開關頻率維持在接近1 MHz的恒定值，因而很容易將其濾除。整個系統從負電源消耗的電流小于5 mA，故較低電源效率不是問題。 反相降壓穩壓器的輸出為兩個負電源線性穩壓器ADP7182供電，以便為AD7172-2提供?2.5 V電壓，為ADA4530-1提供?5 V電壓。 關于數據采集板的詳細原理圖和布局，包括電源管理電路，請參閱CN-0407設計支持包(www.analog.com/CN0407-DesignSupport)。 ADC和基準電壓源 夾層板的輸出電壓范圍最大為±5 V，而AD7172-2 ADC的輸入范圍為±2.5 V。10 k?/10 k?匹配電阻分壓器將夾層板輸出電壓衰減兩倍。為使ADC引起的偏置誤差最小，ADG1419 單刀雙擲(SPDT)模擬開關將電阻分壓器輸入短接至地，并允許軟件測量ADC和電阻分壓器引起的失調誤差。當使能失調消除功能時，軟件會將測得的失調從讀數中減去。剩下的失調全部是由ADA4530-1電路引起的。 來自AD7172-2的GPIO0數字線路(EN_ADCOFFSETCAL)控制ADG1419開關的位置。軟件寫入寄存器GP_DATA0，導致GPIO0輸出0或1。該輸出以?2.5 V為基準，故ADG1419的接地引腳連接到?2.5 V，而不是地。 ADR4525為ADC提供一個低噪聲、高精度基準電壓源。ADC前端由±2.5 V電源供電，故ADR4525 GND引腳也連接到?2.5 V電源。此連接在AD7172-2的REF+和REF?引腳之間產生2.5 V基準電壓。 觸發輸入和觸發輸出 EVAL-CN0407-SDPZ板含有觸發輸入和觸發輸出控制，用以簡化電路板與外部設備的連接。觸發輸入和觸發輸出信號均使用標準TTL電平。 當通過軟件使能觸發輸入時，系統等到觸發輸入信號的上升沿出現后，便開始采集數據。類似地，當使能觸發輸出時，系統輸出一個上升沿時便開始采集數據。 夾層板的清潔和操作 只能握住夾層板的邊緣，切勿觸碰SHIELD1屏蔽輪廓線內的區域。 若要對夾層板上的器件進行再加工，必須適當清潔該板以清除焊劑、含鹽水分、塵土等污染物，以維持其低泄漏性能。污染物可能會嚴重降低其飛安測量性能。 有效的清潔程序包括如下步驟： 通過潔凈室級別的異丙醇對電路板進行超聲波浴，持續15分鐘。超聲波清洗使用高頻率的超聲波，可在清洗液中創建氣穴。此過程有助于清除板表面和難以觸及的焊接器件下方區域上的污染物。下一個清潔步驟需要使用新鮮的異丙醇。 用鑷子將板從超聲波浴中移出。使用異丙醇沖洗板以清除污染殘留物。 將板浸沒于異丙醇中并用酸刷輕輕擦洗。重點擦洗U1引腳、J1和保護環之間的區域，以及屏蔽輪廓線內的區域。 使用異丙醇沖洗板。 最后再用異丙醇沖洗一次板的頂部和底部。 用壓縮的干燥空氣吹干電路板。在U1引腳、到J1的輸入走線和保護環周圍區域吹入空氣。同時要向J1和U1下方吹入壓縮空氣。 確保板完全干燥，在125°C烤箱中烘烤板15分鐘。 清潔之后，記住將金屬屏蔽體放在板上。金屬屏蔽體有助于防止外物接觸到保護區域。 CN0407 超高靈敏度飛安測量平臺 CN0407 圖1中的系統功能圖顯示了一個用于飛安級電流測量的精密模擬前端。這個業界前沿的解決方案非常適合化學分析儀和實驗室級儀器使用，其中需要超高靈敏度模擬前端來對光電二極管、光電倍增管、法拉第筒等電流輸出傳感器進行信號調理。可以使用該解決方案的應用包括質譜分析、色譜分析和庫侖分析。 EVAL-CN0407-SDPZ為實際應用提供了一個參考設計，它將系統劃分為一個低泄漏夾層板和一個數據采集板。輸入信號調理利用夾層板上的ADA4530-1實現。ADA4530-1是一款靜電計級放大器，其輸入偏置電流非常低，在85°C時最大值為20 fA。片上集成一個保護環緩沖器，用以防止輸入引腳電流泄漏至印刷電路板(PCB)。放大器默認配置為跨阻模式，采用10 GΩ玻璃電阻和金屬屏蔽體，防止漏電流進入電路板上的任何高阻抗路徑。此外，夾層板含有未焊接的電阻和電容焊盤，方便用戶利用表貼反饋電阻開發原型產品和實現其他輸入配置。 數據采集板采用AD7172-224位Σ-Δ型模數轉換器(ADC)，由9 V單直流電源供電。板載電源輸出兩塊PCB所需的全部電壓。該板通過SDP-S板(EVAL-SDP-CS1Z)連接到PC，并采用數字隔離防止來自USB總線或接地環路的噪聲影響低電流測量。 圖1.飛安測量系統功能框圖（未顯示所有連接和解耦） ? CN0407

• 飛安測量
• 靜電計級輸入放大器
• 輸入偏置電流：20fA（最大值，85°C）
• 24位Σ-Δ型ADC

(analog)