測量來自極高阻抗傳感器的信號是一項艱巨的任務。這些傳感器的輸出阻抗為 Teraohms （1 × 1012Ω）. 來自法拉第杯和光電二極管等傳感器的微小信號電流需要靜電計級放大器進行測量。這些放大器可以分辨小至 1 飛安 （1 × 10 的電流–15A） 配置為跨阻放大器 （TIA） 時。許多應用需要保護這些電路免受超量程的影響。保護元件價格昂貴，會降低電路性能。本文將介紹這些保護電路以及提高性能同時降低成本的方法。

保護的必要性

高阻抗電流輸出傳感器設計為在零電壓偏置下工作。TIA電路強制傳感器兩端的電壓為0 V，當所有傳感器電流流過反饋電阻時，傳感器電壓可能為零。負反饋迫使放大器輸出到電壓，使必要的電流流入反饋電阻。所需的輸出電壓等于傳感器電流乘以根據歐姆定律的反饋電阻。

放大器的輸出電壓擺幅限制了通過反饋電阻的最大電流。當傳感器電流大于最大反饋電阻電流時，傳感器電壓不能保持在零。過大的電流會增加傳感器電壓，直到備用路徑可以吸收它。放大器中的靜電放電（ESD）保護器件通常會吸收這種多余的電流。

許多應用程序無法容忍這種超量程，因為它的恢復時間可能很長，并且可能會干擾其他通道。恢復時間長是由于電容必須放電。所有傳感器、電纜和輸入電容必須通過反饋電阻放電。反饋電阻限制放電速率。更糟糕的是，這些絕緣體的介電吸收會產生剩余電流以響應電壓變化。這些剩余電流可能需要幾分鐘或幾小時才能完全消散。干擾是多個傳感器彼此靠近的系統的另一個問題。過載傳感器上的電壓變化電容耦合到相鄰通道。這種耦合電容注入電流并破壞相鄰通道的測量。

限幅電路

需要一個反饋限幅電路來避免超量程問題。反饋限幅器包括一個非線性反饋元件，可以處理大量電流，而不會產生削波放大器輸出的高電壓。一個簡單的反饋限幅器電路在反饋電阻上并聯添加一個二極管（圖 1）。隨著輸出電壓的降低，二極管（D1） 開始從傳感器傳導一些電流。二極管的指數特性使其能夠處理非常大量的傳感器電流，而不會削波放大器的輸出。

圖1.帶二極管限幅器的 TIA。

必須正確選擇用于限幅器的二極管，以免破壞電路性能;對于非常高阻抗的TIA電路來說，這是一項具有挑戰性的任務。在低輸出電壓下，二極管表現為電阻器，其電阻取決于飽和電流（IS).該電阻通常稱為二極管分流電阻。分流電阻與反饋電阻并聯，因此它必須比反饋電阻大得多，以避免破壞TIA的傳遞函數。這很困難，因為分流電阻具有指數溫度依賴性;溫度每升高 10°C，其值就會下降一半。靜電計電路中使用的巨大反饋電阻需要仔細選擇二極管。這些元件需要專門設計的低漏電二極管或小型分立式JFET的柵極二極管。這些專用二極管通常非常昂貴，每個成本為幾美元。

二極管的指數電流電壓特性也是該電路嚴重受限的原因。一旦施加電壓（V一個）變得大于熱電壓（kT/q），指數特性開始占主導地位。一旦輸出電壓幅度大于熱電壓，簡單限幅器TIA電路的線性度就會開始下降。室溫下的熱電壓僅為26 mV，這極大地限制了電路的動態范圍。

使用保護技術可以減少簡單限幅器的輸出范圍限制（圖 2）。限幅二極管兩端的電壓（D1） 被驅動為零，R1電阻器。此電壓（V警衛） 可由放大器通過輸出二極管 （D2).反饋限制在 V 開始警衛超過熱電壓，允許 D1進行。電阻器 R1可以調整尺寸以需要來自 D 的大量電流2以產生此壓降。例如，1 kΩ電阻需要26 μA二極管電流才能產生26 mV壓降;這遠遠超過一個簡單的限幅器所需的數十飛安。這些大電流降低了對輸出二極管的要求。常規二極管可用于2而不是D所需的專用二極管1.該電路允許通過替換D來調整輸出范圍2帶有一系列二極管或單個齊納二極管。也可以通過用適當的反并聯二極管或背靠背齊納二極管替換每個二極管來修改這些電路以進行雙向限制。

圖2.TIA 帶保護二極管限幅器。

與簡單的二極管限幅器相比，受保護電路提供了相當大的性能改進，但它仍然取決于昂貴的D的性能1二極管。這些價格和性能限制可以通過使用靜電計放大器來消除，該放大器具有帶保護引腳的內部保護緩沖器。ADA4530-1就是這樣一種放大器。1該放大器的內部保護緩沖器以保護電壓驅動ESD保護二極管。該保護電壓通過消除ESD二極管兩端的壓降來保持較低的輸入偏置電流。這些ESD二極管專門設計用于具有非常低的漏電流。

這些片內 ESD 二極管可用于受保護的限幅器電路（圖 3）。ESD二極管現在具有特種二極管D的功能1.保護緩沖器具有1 kΩ輸出電阻，用作電阻R1.唯一的外部元件是輸出二極管D2.該輸出二極管連接在保護引腳（引腳7）和輸出電壓之間。一旦在V上產生熱電壓，電路就開始限制警衛節點。

圖3.TIA 保護型 ESD 二極管限幅器。

測量結果

構建了一個100 GΩ TIA電路，比較使用專用低漏電二極管的簡單二極管限幅器和使用ESD二極管的受保護限幅器的性能。所有所用組件的部件號見表1。對靜電計放大器評估板進行了修改，以構建這些電路。值得一提的是，放大器保護輸出不應用于驅動保護環，因為它的電壓會發生變化。保護環應由同相放大器輸入端的信號接地連接驅動。

通過強制將來自靜電計級源測量單元 （SMU） （Keithley 6430） 的測試電流強制進入電路并使用高精度數字萬用碼 （Keysight 3458a） 測量輸出電壓來評估電路。所有測試均在 25°C 下使用 ±5 V 電源完成。測試電流范圍為 10 fA 至 100 pA，輸出電壓范圍為 1 mV 至 5 V（圖 4）。通過繪制理想輸出電壓和實際輸出電壓之間的差異來評估線性度（圖 5）?；鶞市阅苁窃跊]有任何反饋限制器（黑色曲線）的情況下建立的。在沒有限制的情況下，在放大器輸出擺幅至電源軌之前，誤差小于1 mV。

圖4.用于測量限幅器的 TIA 傳遞函數。

圖5.測量限幅器的 TIA 傳遞函數誤差。

簡單的二極管限幅電路是使用低漏電PAD1二極管實現的。PAD1二極管是此類應用的常見選擇。簡單限幅器（紅色曲線）的性能與低測試電流下的基線相同。這意味著二極管的飽和電流電阻明顯高于100 GΩ（25°C時）。正如預期的那樣，輸出范圍非常有限;在600 fA測試電流下，輸出誤差超過1 mV。該測試電流電平對應于60 mV輸出電壓范圍。

使用低成本1N4148輸出二極管（D2).同樣，這種受保護的限制器性能（藍色曲線）與低測試電流下的基線性能相匹配。集成在靜電計放大器上的低漏電ESD二極管是造成這種良好性能的原因。1N4148 僅提供反饋電流。動態范圍也得到了改善，在誤差超過1 mV之前需要2.5 pA的測試電流。這相當于250 mV輸出范圍，提高了4×。

該電路的靈活性通過用1N5230齊納二極管代替輸出二極管來證明。在低測試電流下，該電路的性能與基線電路相同（綠色曲線）。動態范圍擴展到標準二極管之外。在誤差超過1 mV之前，需要10 pA的測試電流。這表示1 V輸出范圍。該電路開始限制齊納電流遠小于規定的1 mA，以實現4.7 V標稱擊穿電壓。齊納二極管最好在其額定擊穿下工作，以獲得最大的動態范圍，同時降低溫度靈敏度?？商峁╇娏鬏^低的齊納二極管，例如 1N4624。工作電流也可以通過在V之間增加一個外部電阻來增加。警衛和信號接地。27Ω電阻需要1 mA齊納電流才能降低ESD二極管兩端的熱電壓。

總之，靜電計級傳感器接口通常需要反饋限制電路。這些電路需要專用二極管，每個二極管的成本為幾美元。這些專用二極管可以用具有保護緩沖輸出的靜電計放大器的ESD二極管代替，例如ADA4530-1。這種方法創造了一個高性能限幅器，只需要一個外部元件，每件成本幾美分。

審核編輯：郭婷