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。
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。
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。基于如何通過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:
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。
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。可視化的GUI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。
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)。
圖4 0-100pA的I-V曲線測試圖表(溫度25°C)
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。
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是針對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。”
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史海拾趣
對于固態非易失性精密電位器構成的溫度測量電路,網友可能關心的問題以及相應的回答如下:
- 固態非易失性精密電位器的工作原理是什么?
- 回答:固態非易失性精密電位器(如X9C102/103/104/503)包含有99個電阻單元的電阻陣列。滑動單元的位置由CS、U/D和INC三個輸入端控制,并且這個位置可以被存儲在一個非易失性存儲器中,因此在下一次上電時可以被重新調用。
- 這種電位器在溫度測量電路中的具體應用是怎樣的?
- 回答:非易失性數控電位器如X9312可以構成溫度測量電路,作為記數式模數轉換電路。通過電位器的電阻值變化來反映溫度的變化,實現溫度的測量。
- 電位器的精度和分辨率如何?
- 回答:非易失性數控電位器的分辨率等于最大的電阻值被99除。例如,X9C503(50kΩ)的每個抽頭間的阻值為505Ω。精密電位器的精度可達0.1%。
- 非易失性存儲器中的數據可以保存多久?
- 回答:所有的Xicor非易失性存儲器都設計成并經過測試能夠用于持久地保存數據的應用場合。滑動端位置數據可保存100年。
- 這種電路對溫度變化的響應速度如何?
- 回答:由于參考文章中沒有直接提及電位器對溫度變化的響應速度,因此無法給出確切的數值。但一般來說,電位器的阻值變化與溫度有一定的線性關系,可以較快地反映溫度的變化。
- 在實際應用中需要注意哪些問題?
- 回答:在實際應用中,需要注意電位器的額定功率、標稱阻值、允許誤差等級等參數。此外,電位器在低溫環境下使用時需說明,以便采用特制的耐低溫油脂。同時,電位器的軸或滑柄長度應盡量短,以提高穩定性和減少晃動。
- 電路的穩定性如何?
- 回答:由于非易失性數控電位器具有非易失性存儲功能,因此電路在上電時可以重新調用之前保存的電位器位置數據,從而保證了電路的穩定性。此外,電位器本身也具有較好的穩定性和可靠性。
以上是對固態非易失性精密電位器構成的溫度測量電路網友可能關心的問題及相應回答的歸納和總結。
由于字數限制,我將先為您提供一個關于Cliff Electronic Components公司的發展故事,如您需要更多內容,請再次詢問。
Cliff Electronic Components的崛起與轉型
在1977年,一個名為Cliff Electronic Components Limited的公司在英國悄然成立。初創時期,它主要為音樂行業提供連接器,滿足了當時市場上對于音頻設備連接的需求。隨著市場的發展和技術的進步,公司很快意識到,僅靠單一產品線難以滿足日益多樣化的市場需求。
在公司成立的初期,Cliff面臨著巨大的市場壓力。當時,電子行業正經歷著快速的技術革新,競爭對手層出不窮。為了在市場上站穩腳跟,Cliff決定對其產品線進行大刀闊斧的改革和擴展。他們不僅繼續深耕音頻連接器領域,還開始涉足交流電源連接器、直流電源連接器、饋通連接器等多種電子連接器產品。
進入80年代,隨著個人電腦的普及和電子設備的小型化趨勢,Cliff迎來了新的發展機遇。公司迅速調整戰略,開始研發和生產適用于個人電腦的各種連接器。這一轉型使得Cliff的產品線更加豐富,也為其贏得了更多的市場份額。
為了滿足客戶對于高品質產品的需求,Cliff不斷加大研發投入,引進先進的生產設備和技術。他們在產品設計和制造工藝上不斷創新,力求為客戶提供更加可靠、高效的連接器解決方案。這種對品質的不懈追求,使得Cliff逐漸在市場上樹立起了良好的口碑。
進入90年代,隨著全球化的加速和電子行業的飛速發展,Cliff開始積極拓展國際市場。他們參加各種國際電子展會,與全球的客戶和合作伙伴建立聯系。通過與國際知名企業的合作,Cliff不僅提升了自身的品牌影響力,還進一步拓展了其產品的應用范圍。
隨著時間的推移,Cliff逐漸成為了一個在國際上享有盛譽的電子連接器品牌。他們始終堅持創新、品質和服務至上的理念,贏得了客戶的廣泛認可和贊譽。今天,當我們提到Cliff時,人們首先想到的是他們高品質的電子連接器和專業的客戶服務。
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