PD放大電路在布板時(shí)候如何減小漏電流

本文主要是整理下PD放大電路，在布板時(shí)候如何減小漏電流。因?yàn)橐话鉖D前級放大電路處理的都是電流信號，當(dāng)PD接收到的光信號很微弱時(shí)，意味著輸入給放大電路的電流信號非常小，像我現(xiàn)在做的這個(gè)項(xiàng)目，放大電路處理的是pA級的電流信號。實(shí)際上，放大電路采集nA及以下的電流信號，layout時(shí)都需要注意漏電流了。

那么，當(dāng)PD放大電路處理pA級電流信號，布板時(shí)比較隨意、沒有考慮漏電流的影響，會發(fā)生什么呢?

會出現(xiàn)當(dāng)無光信號輸入，放大電路理想情況下本該輸出0V，實(shí)際輸出的卻是如110mV;這個(gè)數(shù)據(jù)是真實(shí)的，這是以前工程師做的PD放大電路板的實(shí)測數(shù)據(jù)，他就沒有考慮到電路板上面的漏電流。這個(gè)直流誤差會減小電路測量的動(dòng)態(tài)范圍，另外我覺得這個(gè)直流誤差并不是不變化的，它會隨著溫度、濕度變化而變化，所以即使希望用軟件調(diào)零的方式也會遇到些麻煩。圖1是典型的跨阻放大電路，為了提高信噪比，我們通常都會讓Rf很大，所以微弱的漏電流都會轉(zhuǎn)化為比較大的直流誤差。圖2為PCB漏電流的一個(gè)數(shù)例，當(dāng)我們最小輸入電流為1pA，而電路板的漏電流卻達(dá)到了150pA!

另外，布板問題導(dǎo)致的漏電流過大，也會讓我們特別為跨阻放大電路應(yīng)用選型的低輸入偏置電流(Ibs)運(yùn)放失去意義。

圖1 跨阻放大電路的Rf通常都比較大，這里達(dá)到了1G，那么最小測量電流為1pA時(shí)，輸出電壓為1mV/pA。

圖2 PCB漏電流的數(shù)例，就是簡單的歐姆定律(I =V/R)算得的

現(xiàn)在知道了布板異常導(dǎo)致的漏電流，會對弱電流采樣電路造成不小的負(fù)面影響，如減小動(dòng)態(tài)測量范圍，以及這個(gè)布板異常導(dǎo)致的漏電流是會變化的隨著溫度濕度，給軟件調(diào)零帶來麻煩。那么我們怎么布板才能避免它呢?圖3是PCB上面的漏電流路徑，本質(zhì)上就是不要讓電流灌入到運(yùn)放的Vin-節(jié)點(diǎn)里去。

圖3 跨組放大電路的漏電流路徑

從歐姆定律I=V/R公式里，我們可以非常直觀的找到如何解決漏電流問題，即增加R或者減小V。像我們以前色譜儀放大電路里面，為了減小PCB上面的漏電流，都是采用“空氣布線”的方式，即所有連接到運(yùn)放Vin-節(jié)點(diǎn)的線都是手工焊上去的，不跟PCB有任何連接，這是增加R以減小I的方式。這種減小漏電流的放大問題在于：不利于生產(chǎn)，且連接到Vin-的線如果沒有固定牢固，那么比如用手拍一拍儀器輸出信號會劇烈變化。這是由于位移電流引起的(I=dc/dt*V，線纜移動(dòng)會帶來分布電容變化導(dǎo)致了位移電流)，它雖然很小，但是放大電路非常靈敏度非常高，畢竟是測量pA級別信號的。麥克斯韋生前并沒有合適的條件驗(yàn)證他理論推導(dǎo)出的位移電流是否存在，而現(xiàn)如今Ibs達(dá)到pA級別的運(yùn)放都很常見很便宜了，如AD8065，測量位移電流變得非常方便，這是科技發(fā)展的一個(gè)小例子吧。

第二個(gè)解決PCB上漏電流的方法叫保護(hù)環(huán)，從歐姆定律理解就是減小V，當(dāng)R兩端的V幾乎相等時(shí)，那么I自然就沒有了。這種方法雖然layout時(shí)稍微麻煩一點(diǎn)，但是便于生產(chǎn)，而且不會出現(xiàn)機(jī)械震動(dòng)會引起輸出劇烈波動(dòng)的問題。

圖4 跨組放大電路的保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)(注意映射層也要包起來)

像我這次做的PD放大電路板，就是用的保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)。實(shí)測效果非常好，同樣時(shí)1G放大倍率，當(dāng)PD用黑膠帶罩住無輸入信號時(shí)，輸出信號為0.1mV(這里包含了PD本身的暗電流);且多個(gè)板卡具有一致性。