飞安级输入偏置电流静电计放大器
该用户不需要名字 2020-4-6原创 极客DIY仪器仪表

曾经给一个电荷输出器件做了一个定性级别的放大器,分享一下。因为只是进行定性使用的,整个设计就有没有进行比较严谨的计算和标定,更像是放飞自我的快乐DIY。不过当电流达到这个等级,我说实话没有进行标定的能力,如果有人知道标定溯源的方式的话欢迎进行告知。我对此点没有进行深究。

首先来看下我们的核心运放ADA4530:


微信截图_20200406201549.png


具有非常恐怖的20fA的偏置电流(常温)。而据一些官方的文档表示,似乎该偏置电流的测试是在提高温度和拥有特殊屏蔽装的置中测得的。电路比较简单,跟着说明手册做就行了。由于不需要进行容性负载驱动,就没有仔细进行环路稳定性分析(当然噪声分析也没做)。


微信截图_20200406202540.png


为了稳定性没有去除Rf电容,但是又要兼顾一定的时域积分能力,所以设置RC=200Gohm*1nF=200s。其中C是为了整体的电荷放大增益考虑的。电路上没有什么特别需要注意的地方,后面接一个集成仪表放大器,可调10或者100的增益,也可以不使用。电源是两个7.4V锂电池经过LDO线性降压到5V。值得注意的是,我设计电路有点上头了,用了两片高带宽LDO,其实没有必要。高带宽容易导致电源不稳定性,在这个需求下,没有必要。


微信截图_20200406203709.png


电路板注意一些关键节点用支撑柱撑起来就行了,还有加上缓冲环,并连接到三同轴电缆的中层。我用的是射频连接器的中间的那个柱子,外面一圈应该是特氟龙材料的,具有高度绝缘的特性。美丽的玻璃封装真空电阻花了不少钱,还有Vishay家的低泄露电容。同样这个继电器也是低泄露的,进行电荷泄放用。


1586177504623.jpeg

CNC屏蔽外壳一个:

1586177368608.jpeg

组装好:

1586177240770.jpeg

制作一根美丽的三芯线缆进行供电:

微信截图_20200406205955.png

制作一个外部电源,外壳是3D打印的,电源上有一个开关能进行放大器上的电荷泄放:

1586177477102.jpeg

最后放在一起:

1586177301138.jpeg


简单小测试,使用镊子接近一小段导线(电容变化),能在示波器看见一个清晰的信号。竟恐怖如斯。


98add61be273c72e839eea52fd03b202.mp4 2.12MB



主要器件参数:

    高稳定电阻:

        型号:588-RX1M2009JE

        供货商:Ohmite

        大小:200Gohm

        温度系数:50 PPM / C

        容差:5%


    耐压薄膜积分电容:

        型号:MKP1839210633


        供货商:Vishay / Roederstein

        大小:1nF

        容差:2.5%

        耐压:630V


对于电阻没有测试能力。对于电容,测试方式为对电容加100V测试电压,通过台式万用表测得泄露电流为14pA,若假设它是线性的,则推测工作在0.1V电压时电流泄露应该小于0.1V/100V*14pA=14fA(7Tohm)。对系统进行简单的测试,放大器的输出结果输入一个100增益的仪表放大器。测试方法是通过归零后一小段时间内,获得输出的电压曲线,对经过电容的电流进行估算。


scope_1.png

如上图可知:

通过电容的电流估算为,I=C*dV/dt/100=1nF*167.5mV/6.1s/100=27.5pA/100=275fA。

如果忽略此时通过电阻的电流,则预估在增益为100时电压应该上升约200Gohm*275fA*100=5.5V。

然而在等待足够久后电压仅仅从零点上升约2.5V,虽然无法完全说明目前反馈电阻的大小,但是仍旧在合理的范围。使用热风枪对放大器芯片进行190摄氏度度的烘烤后,上电足够久以后,稳定电压为从零点上升675mV。我推测表面清洁度依旧不好,存在一定的电流泄露,虽然已经使用丙酮加超声波清洗过了。太多的干扰因素妨碍了对电路的分析,这不是一个严谨的教程,仅供娱乐。

[修改于 1 年前 - 2020-04-21 22:17:50]

来自:科创广场 / 极客DIY仪器与装备 / 仪器仪表
 
15
desert
1年0个月前
1楼

ic1的焊接莫名喜感 sticker

另外这样的系统似乎对单点接地有较高的要求?

还有 继电器 应该是 干簧管继电器 吧?

萌新提问,如果很糟糕勿喷 sticker

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该用户不需要名字作者
1年0个月前
2楼
引用desert发表于1楼的内容
ic1的焊接莫名喜感另外这样的系统似乎对单点接地有较高的要求?还有 继电器 应该是 干簧管继电器 吧...

悬空的引脚为运放输入引脚,主要是此PCB采用普通性能的绝缘介质FR4,为了减少水汽,污渍和介质本身的影响,才选择让它悬空。当然这种做法不是兼容常规的大量生产工艺的,此处仅为减少PCB和清洗等成本考虑。继电器确实为干簧管。

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justinpiggy
1年0个月前
3楼

拆个SMA插座当teflon绝缘柱倒是从来没有想过,一般都会买teflon的棒子自己切。这个的确是一个非常方便地获得廉价低漏电绝缘柱,并且方便地和PCB上guard trace连接的方法。

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rb-sama
1年0个月前 修改于 1年0个月前
4楼

竟恐怖如斯,楼主一开口就有内味了。 sticker

pA级放大器,拆开色谱仪的核心机芯都是这样搭的,当一台机器硬件利润超过1000%甚至10000%的时候。

就无所谓是否人工参与了,一个芯片翘起一个脚,IC厂才不管PCB会不会漏电,丢给设计者去解决。

乃至fA级放大,这类电路最重要的是电阻和运放的Ib指标,

一般的来说这个电阻越大S/N会越大,图片里没看出来LZ用了多大的。

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RodTech
1年0个月前
5楼
引用rb-sama发表于4楼的内容
竟恐怖如斯,楼主一开口就有内味了。pA级放大器,拆开色谱仪的核心机芯都是这样搭的,当一台机器硬件利润...

我感觉色谱与质谱,对电子部分是十分抠门并节约成本的,而且并不需要很好的性能,于是可以使用运放。。典型Ib 2fA的lmc662常用于这些要求不高的仪器。


静电计中,好性能的产品代表如keithley 642,用的不是运放而是特制的fet。另一个方向,纳伏放大器EM A10, 关键部分使用变压器。



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rb-sama
1年0个月前
6楼
引用RodTech发表于5楼的内容
我感觉色谱与质谱,对电子部分是十分抠门并节约成本的,而且并不需要很好的性能,于是可以使用运放。。典型...

表示涨姿势了,谢徐版,


我上面回复楼主的是“悬空引脚这种方法不适合大规模生产”,其实很多仪器都是这样搭棚的,几乎是最优解。

包括拆过一些光谱,里面直接不用TIA,而是一个24位的ADC直接悬空一个引脚接到硅光电池上。

在测器里,这种输入方式还是挺常见的。


至于运放,ADI的一些TIA都有公版方案的,例如ADA4530这颗,拿到过评估板测试。

一两百一颗的运放,我觉得也不能说贵,也不能说不贵,能用上就是最好的。

毕竟有时候物料成本要和研发周期成本做均衡


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该用户不需要名字作者
1年0个月前
7楼
引用rb-sama发表于4楼的内容
竟恐怖如斯,楼主一开口就有内味了。pA级放大器,拆开色谱仪的核心机芯都是这样搭的,当一台机器硬件利润...

sticker 没撬那个引脚,下面挖空了PCB外加焊接了线,看起来像是翘起来了。电阻是200Gohm的。

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该用户不需要名字作者
11个月27天前
8楼

今天更新了一些测试的结果,添加了一个测试视频。

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ry7740kptv
11个月27天前
9楼

用这颗料做过FID检测器的信号放大器~

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该用户不需要名字作者
11个月26天前
10楼
引用ry7740kptv发表于9楼的内容
用这颗料做过FID检测器的信号放大器~

sticker 挺有意思

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kc-86652
11个月25天前 修改于 11个月25天前
11楼

请问这镊子是不带电的吗?

感谢感谢!


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11个月25天前
12楼
引用kc-86652发表于11楼的内容
请问这镊子是不带电的吗?感谢感谢!

不带电,应该是我身上的静电。

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kc-86652
11个月22天前
13楼

啊!真的是这样

难以想象这么高的精度


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bolizhicheng
10个月22天前
14楼

非常感谢楼主!

顺便问下,那个电阻电容和继电器是在哪里买的

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10个月22天前
15楼
引用bolizhicheng发表于14楼的内容
非常感谢楼主!顺便问下,那个电阻电容和继电器是在哪里买的

mouser,贸泽。如果不想用贸泽的话,可以看下立创商城的海外代购。

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bolizhicheng
10个月22天前
16楼
引用该用户不需要名字发表于15楼的内容
mouser,贸泽。如果不想用贸泽的话,可以看下立创商城的海外代购。


多谢!

曾经用AD8605做过类似的东西,反馈电阻1M后级加高位AD。尝试把反馈电阻加大噪声会大很多,应该是和屏蔽、偏置电流、反馈电阻电容有很大关系。

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10个月21天前
17楼
引用bolizhicheng发表于16楼的内容
多谢!曾经用AD8605做过类似的东西,反馈电阻1M后级加高位AD。尝试把反馈电阻加大噪声会大很多,...

在1M量级,可能噪声和外部的关系更大,和电路本身的关系不大。总之,相关的资料很多的。

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twz562
10个月0天前
18楼

这个运放的引脚排列挺有意思,比较适合做微电流放大,但估计没有人会直接将输入端焊到板子上期望测飞安级电流,所以感觉又有些不伦不类,如果将输入端放到片子顶端或者采用特氟龙之类的封装应该会更好 sticker

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GiroPetrenko
10个月0天前
19楼
引用twz562发表于18楼的内容
这个运放的引脚排列挺有意思,比较适合做微电流放大,但估计没有人会直接将输入端焊到板子上期望测飞安级电...

看了一下官方的Datasheet,要求板材RO4350B才能接近标称性能。

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10个月0天前
20楼
引用twz562发表于18楼的内容
这个运放的引脚排列挺有意思,比较适合做微电流放大,但估计没有人会直接将输入端焊到板子上期望测飞安级电...

可以参考官方的出的板子。真空什么的就稍稍过了,应该还没到那个程度。

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3DA502
9个月27天前
21楼

38hot版主的那篇1pA电流计制作,写的是真好

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9个月26天前
22楼
引用3DA502发表于21楼的内容
38hot版主的那篇1pA电流计制作,写的是真好

看过

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bolizhicheng
9个月10天前
23楼

请教一下各位,像这样的弱信号能喷三防漆或者705硅橡胶吗?用什么方式防潮比较好?

多谢

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9个月10天前
24楼
引用bolizhicheng发表于23楼的内容
请教一下各位,像这样的弱信号能喷三防漆或者705硅橡胶吗?用什么方式防潮比较好?多谢

那可能反而会增加漏电流。不需要防潮,把表面处理的极致干净就行了,然后别让灰尘进去。

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bolizhicheng
9个月10天前
25楼
引用该用户不需要名字发表于24楼的内容
那可能反而会增加漏电流。不需要防潮,把表面处理的极致干净就行了,然后别让灰尘进去。

要放在户外,需要防潮防水,没办法

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9个月10天前
26楼
引用bolizhicheng发表于25楼的内容
要放在户外,需要防潮防水,没办法

如果你只是1M的反馈电阻。。。随意使用,灌胶也好三防也好。真正的精密仪器不适合放在户外。

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bolizhicheng
9个月9天前
27楼
引用该用户不需要名字发表于26楼的内容
如果你只是1M的反馈电阻。。。随意使用,灌胶也好三防也好。真正的精密仪器不适合放在户外。

谢谢!

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KC_Slayer
9个月9天前
28楼
引用bolizhicheng发表于27楼的内容
谢谢!

高值电阻随着湿度上升绝缘电阻下降导致电阻值变化这个需要考虑下

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bolizhicheng
9个月2天前
29楼

再讨论一个问题:关于接地

没看到电路板和外壳有电器连接的地方,外壳和电路板上的地怎么处理?是直接连接还是让外壳和电路板的地隔开?

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9个月2天前
30楼
引用bolizhicheng发表于29楼的内容
再讨论一个问题:关于接地没看到电路板和外壳有电器连接的地方,外壳和电路板上的地怎么处理?是直接连接还...

同轴接头的最外层哈,都是连到外壳和GND的

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laosu
1个月12天前
31楼

大侠好,呼叫大侠,可以加我QQ吗?向您学习,我想买一套板子或者元件,或告诉我都在哪买?在线等,期待!

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1个月11天前
32楼
引用laosu发表于31楼的内容
大侠好,呼叫大侠,可以加我QQ吗?向您学习,我想买一套板子或者元件,或告诉我都在哪买?在线等,期待!

见私信

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jiangxu
27天11时前
33楼

最近需要完成fa级的测量实验,我也需要购置一套进行实验,请联系。多谢!

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