ADA4531 fA級(jí)靜電放大器

■ 簡(jiǎn)介

ADA 4530 是一款 ADI 公司出品的低偏置電流的放大電路。根據(jù)手冊(cè)數(shù)據(jù)：它的偏置電流大約在 20fA 左右。因此它可以用于很多高阻放大電路。

▲ ADA4530 靜電計(jì)放大電路

下面是在 TB 上購(gòu)買(mǎi)到的基于 ADA4530 的放大電路模塊。在金屬屏蔽盒中就是一塊 ADA4530IC 芯片。其中，在輸出到返現(xiàn)輸入之間跨接一個(gè) 10G 歐姆的電阻。。所以輸出電壓與輸入電流之間的關(guān)系為：

因此，輸出電壓每伏對(duì)應(yīng) 100pA，每 mV 對(duì)應(yīng) 100fA 的電流。

01 一些簡(jiǎn)單測(cè)試實(shí)驗(yàn)

1. 測(cè)量火焰中的離子

在富含氫碳化合物燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電子和離子。普通氣體打火機(jī)中通常裝有丁烷（Butane），它的分子式為：）。具有 10 個(gè) H-C 共價(jià)鍵。丁烷氣體燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電子。

▲ 丁烷的分子式和分子結(jié)構(gòu)圖

?

在靜電放大模塊輸入端口引線(xiàn)增加一片金屬網(wǎng)，或者純粹加一根鐵絲，在附近點(diǎn)燃打火機(jī)，此時(shí)空氣中會(huì)產(chǎn)生大量的電荷。這些電荷將會(huì)引起靜電放大器輸出的變化。

下面動(dòng)圖顯示了打火機(jī)所引起靜電放大器輸出信號(hào)的波動(dòng)。一張圖是使用了金屬網(wǎng)感應(yīng)電荷的變化，下一張圖是使用金屬絲感應(yīng)電荷的變化。對(duì)比可以看到，金屬網(wǎng)對(duì)火焰中的電荷變化更為明顯。

▲ 在聲音傳感器前點(diǎn)打火機(jī)，引起輸出電壓的變化

▲ 使用打火機(jī)對(duì)金屬絲進(jìn)行點(diǎn)燃引起變化

?

火焰離子檢測(cè)器（FID）就是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)檢測(cè)特定含有碳?xì)浠衔锏臐舛鹊摹?/p>

2. 放射衰變電流

在博文 放射源煙霧傳感器[1]中介紹了基于放射物質(zhì)镅（Americium）的煙霧傳感器。人造放射性元素镅（）的半衰期為 432 年。在煙霧傳感器中就包含一片含有镅的金屬片，它通過(guò)衰變可以電離空氣，產(chǎn)生大量的電子和離子。

將煙霧傳感器離子室中的放射金屬片與靜電放大器輸入端相連，可以在放大器輸出端測(cè)量大約 300mV 的變化，換算到輸入端則是大約 30 微安的電流流出靜電放大器。這與煙霧傳感器所標(biāo)明的镅的活性所引起空氣電離電子的數(shù)量大體是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)的。

▲ 對(duì)放射性煙霧傳感器的核心電流進(jìn)行放大

3. 測(cè)量二極管 I-V 特性

二極管是常見(jiàn)到的半導(dǎo)體電子元器件，通常情況下，應(yīng)用它的單向?qū)ㄌ匦?，?lái)進(jìn)行信號(hào)的整流、檢波、鉗位邏輯運(yùn)算等。用于描述二極管特性也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，可以看成使用電壓控制的開(kāi)關(guān)。當(dāng)二極管兩端的電壓為正時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，反之開(kāi)關(guān)打開(kāi)。

當(dāng)信號(hào)頻率增加，則需要考慮二極管的分布電容參數(shù)；當(dāng)信號(hào)幅度弱的時(shí)候，則需要考慮二極管非線(xiàn)性。比如對(duì)于 高頻檢波 應(yīng)用中，則用于描述二極管 I-V 特性就非常復(fù)雜。

?

理解二極管的工作模式是將來(lái)弄懂更加復(fù)雜元器件工作原理的基礎(chǔ)，比如 BJT，JFETS，MOSFET 等。這些器件都可以最終退化成一系列的 PN 節(jié)和電容的組合。

上面公式（2）給出了通常教科書(shū)中對(duì)于二極管 P-N 結(jié)電流 - 電壓關(guān)系式，但這個(gè)關(guān)系式只是在電流很小的情況下才滿(mǎn)足。下面給出了這個(gè)公式大體適應(yīng)的電壓范圍。對(duì)應(yīng)的電流應(yīng)該在安培之間。這個(gè)電流適合使用靜電計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。

?

下面給出了測(cè)量硅二極管輸入電壓與電流的示意圖。輸入 U1 是由數(shù)控直流電壓源提供，由于流經(jīng)二極管的電流非常小，所以 U1 大體可以看成施加在二極管兩端的電壓；經(jīng)過(guò)靜電放大器輸出的電壓 U2 經(jīng)過(guò)比例換算可以得到二極管的電流。

▲ 擴(kuò)展量程之后的測(cè)量電路

下面是測(cè)量施加電壓從 -4.5V 增加到 0.2V 過(guò)程中電流的變化和數(shù)據(jù)。

▲ 實(shí)際 Silicon 整流二極管測(cè)量數(shù)據(jù)曲線(xiàn)

使用指數(shù)模型對(duì)上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行建模：

?

利用 scipy.optimize 中的 curve_fit 函數(shù)來(lái)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到的參數(shù)為：[a,b,c]= [ ?8.44483303 ?0.09925057 -11.89422983]

繪制出模型曲線(xiàn)與測(cè)量曲線(xiàn)：

▲ 對(duì)測(cè)量的硅二極管的電壓與電流曲線(xiàn)與建模曲線(xiàn)的對(duì)比

可以看到，對(duì)于施加電壓對(duì)于 0 部分，擬合曲線(xiàn)的精度相當(dāng)好。而對(duì)于電壓小于 0 之后，測(cè)量的曲線(xiàn)電流就明顯偏離了模型指數(shù)曲線(xiàn)了，這種偏離來(lái)自于二極管內(nèi)部 PN 結(jié)邊緣處導(dǎo)電所引起的反向電流增加。

※ 結(jié)論

使用 ADA4531 fA 級(jí)靜電放大器[2] 可以測(cè)量飛安級(jí)別的小電流，那么對(duì)于一些通常情況下難以使用萬(wàn)用表、示波器觀(guān)察到的小電流進(jìn)行放大后，便可以揭示出很多物理過(guò)程的現(xiàn)象，這為進(jìn)一步定量分析一些物理過(guò)程提供了數(shù)據(jù)的支撐。

?

參考資料

[1]放射源煙霧傳感器: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ&mid=2452228140&idx=1&sn=2509997e46a8b7a0b50c3769f0579668&chksm=876ee64eb0196f584d09d2f13c181a882f01c3fd2d60c6bc9f05b9a091fb520cbb610d3ff87a&token=1391850963&lang=zh_CN#rd*

[2]ADA4531 fA 級(jí)靜電放大器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107070715

疫情肆虐下的云端 ROS 智能車(chē)比賽

速度快，就上墻

路徑規(guī)劃不好也撞墻

謹(jǐn)慎的路徑控制算法

過(guò)于保守的路徑規(guī)劃和控制算法