ADA4530靜電計放大器

■ 簡介

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ADA 4530是一款ADI公司出品的低偏置電流的放大電路。根據手冊數據：它的偏置電流大約在20fA左右。因此它可以用於很多高組口跨阻放大電路。

^{▲ ADA4530靜電計放大電路}

下面是在TB上購買到的基於ADA4530的放大電路模塊。在金屬屏蔽盒中就是一塊ADA4530IC芯片。其中，在輸出到返現輸入之間跨接一個10G歐姆的電阻。$R_f = 1 \times 10^{10} \Omega$。所以輸出電壓$U_O$與輸入電流$I_{IN}$之間的關係爲：

因此，輸出電壓每伏對應100pA，每mV對應100fA的電流。

 

01一些簡單測試實驗

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1.測量火焰中的離子

在富含氫碳化合物燃燒時會產生大量的電子和離子。普通氣體打火機中通常裝有丁烷（Butane），它的分子式爲：$C_4 H_{10}$）。具有10個H-C共價鍵。丁烷氣體燃燒時會產生大量的電子。

^{▲ 丁烷的分子式和分子結構圖}

在靜電放大模塊輸入端口引線增加一片金屬網，或者純粹加一根鐵絲，在附近點燃打火機，此時空氣中會產生大量的電荷。這些電荷將會引起靜電放大器輸出的變化。

下面動圖顯示了打火機所引起靜電放大器輸出信號的波動。一張圖是使用了金屬網感應電荷的變化，下一張圖是使用金屬絲感應電荷的變化。對比可以看到，金屬網對火焰中的電荷變化更爲明顯。

^{▲ 在聲音傳感器前點打火機，引起輸出電壓的變化}

^{▲ 使用打火機對金屬絲進行點燃引起變化}

火焰離子檢測器（FID）就是根據這個原理來檢測特定含有碳氫化合物的濃度的。

2.放射衰變電流

在博文 放射源煙霧傳感器中介紹了基於放射物質鎇（Americium）的煙霧傳感器。人造放射性元素鎇（$^{241} Am$）的半衰期爲432年。在煙霧傳感器中就包含一片含有鎇的金屬片，它通過$\alpha$衰變可以電離空氣，產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明的鎇的活性所引起空氣電離電子的數量大體是在同一個數量級的。

^{▲ 對放射性煙霧傳感器的核心電流進行放大}

3.測量二極管I-V特性

二極管是常見到的半導體電子元器件，通常情況下，應用它的單向導通特性，來進行信號的整流、檢波、鉗位邏輯運算等。用於描述二極管特性也相對比較簡單，可以看成使用電壓控制的開關。當二極管兩端的電壓爲正時，開關閉合，反之開關打開。

當信號頻率增加，則需要考慮二極管的分佈電容參數；當信號幅度弱的時候，則需要考慮二極管非線性。比如對於 高頻檢波 應用中，則用於描述二極管I-V特性就非常複雜。

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

上面公式（2）給出了通常教科書中對於二極管P-N結電流-電壓關係式，但這個關係式只是在電流很小的情況下才滿足。下面給出了這個公式大體適應的電壓範圍。對應的電流應該在$10^{ - 12} - 10^{ - 9}$安培之間。這個電流適合使用靜電計來進行測量。

下面給出了測量硅二極管輸入電壓與電流的示意圖。輸入U1是有數控直流電壓源提供，由於流經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；經過靜電放大器輸出的電壓U2經過比例換算可以得到二極管的電流。

^{▲ 擴展量程之後的測量電路}

下面是測量施加電壓從-4.5V增加到0.2V過程中電流的變化和數據。

^{▲ 實際Silicon整流二極管測量數據曲線}

使用指數模型對上述測量結果進行建模：

利用scipy.optimize中的curve_fit函數來進行曲線擬合，得到的參數爲：[a,b,c]= [ 8.44483303 0.09925057 -11.89422983]

繪製出模型曲線與測量曲線：

^{▲ 對測量的硅二極管的典雅與電流曲線與建模曲線的對比}

可以看到，對於施加電壓對於0部分，擬合曲線的精度相當好。而對於電壓小於0之後，測量的曲線電流就明顯偏離了模型指數曲線了，這種偏離來自於二極管內部PN結邊緣處導電所引起的反向電流增加。

 

※ 結論

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使用 ADA4531 fA級靜電放大器 可以測量飛安級別的小電流，那麼對於一些通常情況下難以使用萬用表、示波器觀察到的小電流進行放大後，便可以揭示出很多物理過程的現象，這爲進一步定量分析一些物理過程提供了數據的支撐。