[模拟电路][仪器仪表][Metrology]-fA级偏置电流静电计前端设计

[Floyd-Fish]

起因来自群友的讨论，三同轴BNC应该怎么用？
Well，其实很早之前🐟和CNPP就想着做做fA计前端了，为此我买了些特氟龙绝缘端子和ADA4530-1备用。而我也一直想写篇关于fA计的文，Now it's time！
关于微弱信号测量，业内公认的红宝书——微弱信号测量手册(by Keithley)是非常好的原理教材，我们将参考这本书，以及一些前人的工作，梳理梳理静电级测量相关技术

[OliverKung]

感觉红宝书的东西相对来说还是比较偏向于卖仪器的。对于测试讲的比较对好像没有很多的设计有源部分的设计。fA偏置静电计的话感觉之前的lymex（BG2VO）和科创的“该用户不需要名字”写的还蛮好。
https://www.kechuang.org/t/85499?page=0&highlight=892200#highlight
https://www.kechuang.org/t/86671?page=0&highlight=895266#highlight

[Floyd-Fish]

感觉红宝书的东西相对来说还是比较偏向于卖仪器的。对于测试讲的比较对好像没有很多的设计有源部分的设计。fA偏置静电计的话感觉之前的lymex（BG2VO）和科创的“该用户不需要名字”写的还蛮好。 https://www.kechuang.org/t/85499?page=0&highlight=892200#highlight https://www.kechuang.org/t/86671?page=0&highlight=895266#highlight

Yep！我正打算引用BG2VO前辈的文章来着...暂时有点别的活要干，先咕一会儿:D

[Floyd-Fish]

人在地铁上，有点无聊，梳理一下物料。

1pA*1GΩ=1mV，那么IV变换器用1GΩ的电阻测量pA级电流是比较合适的，那么如果测量1fA，可能需要更大的电阻，比如10GΩ甚至1TΩ。阻值到达这个量级一般可选的只有玻璃釉膜电阻。比如这是tb某家店售卖的高阻值电阻器，可以买2个回来试试：

然后运算放大器的话，可以选用ada4530-1，adi的手册中说，其实这款opamp的输入Ibias和Ios可能会小于1fA，因为测量如此微弱的电流非常非常非常困难，很难稳定复现，所以他们只测到了一个批量统计的极值范围作为参考（＜20fA）

在早期还未出现如此变态的opamp的时候，fA计一般是用定制的特殊JFET来提供静电计级性能，我也参考了下某些静电计前端，发现这种JFET现在基本都处于停产状态，很难买到了，所以我们暂时不考虑JFET。

然后捏，PCB的绝缘性能也需要充分考虑。ADA4530评估板的应用笔记中写到，PCB具有介电吸收效应，一般需要通电数小时才能较好观测到板材的此效应对漏电流造成的影响（和电容的dielectric absorption有点类似？）经过ADI评估，FR-4板材在fA级几乎不可用，而常见的射频板材Rogers 4350由混合陶瓷粉末混压而成，绝缘性能非常好，介电吸收效应也不显著，所以4350比较适合承载fA计前端电路。

仅仅只有PCB问题吗？Nope。此时整个前端可能还需要使用搭棚焊接的方式来减小漏电流。。具体来说，就是在pcb上安装特氟龙绝缘端子（绝缘性能最好的材料之一），然后将跨阻电阻和部分电路通过这些特氟龙绝缘端子搭棚连接起来。所以这种电路好像想要大批量自动化生产还挺困难的。。。

And don't forget about connector....输入连接器是至关重要的一环，因为就靠它连接待测电路了。这里不能用普通的BNC接口的双层同轴线缆了，因为这种线缆的漏电流性能只能勉强保障pA级别的测量，同轴线内芯和绝缘层的电位差会产生显著的漏电流，使得测量结果不可靠。
这时就该我们的主角——三同轴(Tri-Coax) BNC连接器登场了，它相较于BNC多出了一层屏蔽层，靠内的屏蔽层提供和待测电位相同电位的Guard信号，以此实现等电位屏蔽。靠外层的屏蔽层连接到系统地和机壳地，以提供电磁屏蔽。

在fA级测量系统中，大多都使用三同轴连接器实现系统间的连接。

等我回去用电脑补充图例~

[OliverKung]

其实貌似，直接由一种特氟龙板材，以前用在高频上和RO4350B的用处类似，但是感觉可能漏电页不会太差？
Tri-Coax实在是太特么的贵了。而且每次连线都要带着脑子连

[Floyd-Fish]

我觉得也可以尝试尝试。之前见到的搭棚焊接主要是把跨阻电阻架起来了，因为这电阻属于通孔元器件，如果在pcb上打孔，会不会通过孔壁泄露到基板呢？ pcb肯定是要用绝缘强度高的陶瓷基板或teflon的，因为贴片芯片还是要焊上去的。。至于输入的跨阻电阻和干簧管继电器可另说，有时间（有钱）可以验证验证😂 BTW，在pcb上开个孔放teflon绝缘子其实也不贵，就是加了一道工序:)

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________________________________ 发件人: OliverKung ***@***.***> 发送时间: 2023年7月14日星期五 下午1:58 收件人: emoestudio/eEEExplore-2023 ***@***.***> 抄送: Floydfish ***@***.***>; Author ***@***.***> 主题: Re: [emoestudio/eEEExplore-2023] [模拟电路][仪器仪表][Metrology]-fA级偏置电流静电计前端设计 (Issue #7) 其实貌似，直接由一种特氟龙板材，以前用在高频上和RO4350B的用处类似，但是感觉可能漏电页不会太差？ Tri-Coax实在是太特么的贵了。而且每次连线都要带着脑子连 — Reply to this email directly, view it on GitHub<#7 (comment)>, or unsubscribe<https://github.com/notifications/unsubscribe-auth/AJSGB6ABPEWRNKQQG4K3Q2DXQDNW7ANCNFSM6AAAAAA2FT5KYQ>. You are receiving this because you authored the thread.Message ID: ***@***.***>

[OliverKung]

基本打孔的都是用特氟龙绝缘子垫起来的吧

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---- 回复的原邮件 ---- | 发件人 | ***@***.***> | | 日期 | 2023年07月14日 14:06 | | 收件人 | ***@***.***> | | 抄送至 | ***@***.***>***@***.***> | | 主题 | Re: [emoestudio/eEEExplore-2023] [模拟电路][仪器仪表][Metrology]-fA级偏置电流静电计前端设计 (Issue #7) | 我觉得也可以尝试尝试。之前见到的搭棚焊接主要是把跨阻电阻架起来了，因为这电阻属于通孔元器件，如果在pcb上打孔，会不会通过孔壁泄露到基板呢？ pcb肯定是要用绝缘强度高的陶瓷基板或teflon的，因为贴片芯片还是要焊上去的。。至于输入的跨阻电阻和干簧管继电器可另说，有时间（有钱）可以验证验证😂 BTW，在pcb上开个孔放teflon绝缘子其实也不贵，就是加了一道工序:)

________________________________ 发件人: OliverKung ***@***.***> 发送时间: 2023年7月14日星期五 下午1:58 收件人: emoestudio/eEEExplore-2023 ***@***.***> 抄送: Floydfish ***@***.***>; Author ***@***.***> 主题: Re: [emoestudio/eEEExplore-2023] [模拟电路][仪器仪表][Metrology]-fA级偏置电流静电计前端设计 (Issue #7) 其实貌似，直接由一种特氟龙板材，以前用在高频上和RO4350B的用处类似，但是感觉可能漏电页不会太差？ Tri-Coax实在是太特么的贵了。而且每次连线都要带着脑子连 — Reply to this email directly, view it on GitHub<#7 (comment)>, or unsubscribe<https://github.com/notifications/unsubscribe-auth/AJSGB6ABPEWRNKQQG4K3Q2DXQDNW7ANCNFSM6AAAAAA2FT5KYQ>. You are receiving this because you authored the thread.Message ID: ***@***.***> — Reply to this email directly, view it on GitHub, or unsubscribe. You are receiving this because you commented.Message ID: ***@***.***>

[qm-k]

我接下来打算用贴片厚膜电阻(CRHV2512AF1G00FKE5或者其他温票更低一些的)加硅电容直接贴在RO4350B上尝试一下,不过我有一个疑问是GR级别的电阻固有噪声sqrt( 4 * 1.38e-23 * (273.15+25) * 1 * 1e9 ) = 4.0568e-06 V/rthz 此时已经非常大了,我用典型的跨阻放大的结构,那么这个噪声如果是直接叠加在输出上的话还是非常可观的.
另外体电阻能做到同一量级,玻璃封真空电阻和这种厚膜电阻会有什么不一样嘛?我看来讲道理应该都能正常工作