受保护的限制器改善了高阻抗传感器的动态范围

测量来自极高阻抗传感器的信号是一项艰巨的任务。这些传感器的输出阻抗为 Teraohms （1 × 1012Ω）. 来自法拉第杯和光电二极管等传感器的微小信号电流需要静电计级放大器进行测量。这些放大器可以分辨小至 1 飞安 （1 × 10 的电流–15A） 配置为跨阻放大器 （TIA） 时。许多应用需要保护这些电路免受超量程的影响。保护元件价格昂贵，会降低电路性能。本文将介绍这些保护电路以及提高性能同时降低成本的方法。

保护的必要性

高阻抗电流输出传感器设计为在零电压偏置下工作。TIA电路强制传感器两端的电压为0 V，当所有传感器电流流过反馈电阻时，传感器电压可能为零。负反馈迫使放大器输出到电压，使必要的电流流入反馈电阻。所需的输出电压等于传感器电流乘以根据欧姆定律的反馈电阻。

放大器的输出电压摆幅限制了通过反馈电阻的最大电流。当传感器电流大于最大反馈电阻电流时，传感器电压不能保持在零。过大的电流会增加传感器电压，直到备用路径可以吸收它。放大器中的静电放电（ESD）保护器件通常会吸收这种多余的电流。

许多应用程序无法容忍这种超量程，因为它的恢复时间可能很长，并且可能会干扰其他通道。恢复时间长是由于电容必须放电。所有传感器、电缆和输入电容必须通过反馈电阻放电。反馈电阻限制放电速率。更糟糕的是，这些绝缘体的介电吸收会产生剩余电流以响应电压变化。这些剩余电流可能需要几分钟或几小时才能完全消散。干扰是多个传感器彼此靠近的系统的另一个问题。过载传感器上的电压变化电容耦合到相邻通道。这种耦合电容注入电流并破坏相邻通道的测量。

限幅电路

需要一个反馈限幅电路来避免超量程问题。反馈限幅器包括一个非线性反馈元件，可以处理大量电流，而不会产生削波放大器输出的高电压。一个简单的反馈限幅器电路在反馈电阻上并联添加一个二极管（图 1）。随着输出电压的降低，二极管（D1） 开始从传感器传导一些电流。二极管的指数特性使其能够处理非常大量的传感器电流，而不会削波放大器的输出。

图1.带二极管限幅器的 TIA。

必须正确选择用于限幅器的二极管，以免破坏电路性能;对于非常高阻抗的TIA电路来说，这是一项具有挑战性的任务。在低输出电压下，二极管表现为电阻器，其电阻取决于饱和电流（IS).该电阻通常称为二极管分流电阻。分流电阻与反馈电阻并联，因此它必须比反馈电阻大得多，以避免破坏TIA的传递函数。这很困难，因为分流电阻具有指数温度依赖性;温度每升高 10°C，其值就会下降一半。静电计电路中使用的巨大反馈电阻需要仔细选择二极管。这些元件需要专门设计的低漏电二极管或小型分立式JFET的栅极二极管。这些专用二极管通常非常昂贵，每个成本为几美元。

二极管的指数电流电压特性也是该电路严重受限的原因。一旦施加电压（V一个）变得大于热电压（kT/q），指数特性开始占主导地位。一旦输出电压幅度大于热电压，简单限幅器TIA电路的线性度就会开始下降。室温下的热电压仅为26 mV，这极大地限制了电路的动态范围。

使用保护技术可以减少简单限幅器的输出范围限制（图 2）。限幅二极管两端的电压（D1） 被驱动为零，R1电阻器。此电压（V警卫） 可由放大器通过输出二极管 （D2).反馈限制在 V 开始警卫超过热电压，允许 D1进行。电阻器 R1可以调整尺寸以需要来自 D 的大量电流2以产生此压降。例如，1 kΩ电阻需要26 μA二极管电流才能产生26 mV压降;这远远超过一个简单的限幅器所需的数十飞安。这些大电流降低了对输出二极管的要求。常规二极管可用于2而不是D所需的专用二极管1.该电路允许通过替换D来调整输出范围2带有一系列二极管或单个齐纳二极管。也可以通过用适当的反并联二极管或背靠背齐纳二极管替换每个二极管来修改这些电路以进行双向限制。

图2.TIA 带保护二极管限幅器。

与简单的二极管限幅器相比，受保护电路提供了相当大的性能改进，但它仍然取决于昂贵的D的性能1二极管。这些价格和性能限制可以通过使用静电计放大器来消除，该放大器具有带保护引脚的内部保护缓冲器。ADA4530-1就是这样一种放大器。1该放大器的内部保护缓冲器以保护电压驱动ESD保护二极管。该保护电压通过消除ESD二极管两端的压降来保持较低的输入偏置电流。这些ESD二极管专门设计用于具有非常低的漏电流。

这些片内 ESD 二极管可用于受保护的限幅器电路（图 3）。ESD二极管现在具有特种二极管D的功能1.保护缓冲器具有1 kΩ输出电阻，用作电阻R1.唯一的外部元件是输出二极管D2.该输出二极管连接在保护引脚（引脚7）和输出电压之间。一旦在V上产生热电压，电路就开始限制警卫节点。

图3.TIA 保护型 ESD 二极管限幅器。

测量结果

构建了一个100 GΩ TIA电路，比较使用专用低漏电二极管的简单二极管限幅器和使用ESD二极管的受保护限幅器的性能。所有所用组件的部件号见表1。对静电计放大器评估板进行了修改，以构建这些电路。值得一提的是，放大器保护输出不应用于驱动保护环，因为它的电压会发生变化。保护环应由同相放大器输入端的信号接地连接驱动。

 

元件	制造者	部件号
静电计放大器	ADI公司	ADA4530-1ARMZ
评估板	ADI公司	ADA4530-1R-EBZ-TIA
100 GΩ 反馈电阻	欧姆石	RX-1M1009FE
300 fF 反馈电容器	AVX	UQCFVA0R3BAT2A500
限幅二极管	线性集成系统	PAD1
输出二极管 1	仙童	1N4148
输出二极管 2	仙童	1N5230

 

通过强制将来自静电计级源测量单元 （SMU） （Keithley 6430） 的测试电流强制进入电路并使用高精度数字万用码 （Keysight 3458a） 测量输出电压来评估电路。所有测试均在 25°C 下使用 ±5 V 电源完成。测试电流范围为 10 fA 至 100 pA，输出电压范围为 1 mV 至 5 V（图 4）。通过绘制理想输出电压和实际输出电压之间的差异来评估线性度（图 5）。基准性能是在没有任何反馈限制器（黑色曲线）的情况下建立的。在没有限制的情况下，在放大器输出摆幅至电源轨之前，误差小于1 mV。

图4.用于测量限幅器的 TIA 传递函数。

图5.测量限幅器的 TIA 传递函数误差。

简单的二极管限幅电路是使用低漏电PAD1二极管实现的。PAD1二极管是此类应用的常见选择。简单限幅器（红色曲线）的性能与低测试电流下的基线相同。这意味着二极管的饱和电流电阻明显高于100 GΩ（25°C时）。正如预期的那样，输出范围非常有限;在600 fA测试电流下，输出误差超过1 mV。该测试电流电平对应于60 mV输出电压范围。

使用低成本1N4148输出二极管（D2).同样，这种受保护的限制器性能（蓝色曲线）与低测试电流下的基线性能相匹配。集成在静电计放大器上的低漏电ESD二极管是造成这种良好性能的原因。1N4148 仅提供反馈电流。动态范围也得到了改善，在误差超过1 mV之前需要2.5 pA的测试电流。这相当于250 mV输出范围，提高了4×。

该电路的灵活性通过用1N5230齐纳二极管代替输出二极管来证明。在低测试电流下，该电路的性能与基线电路相同（绿色曲线）。动态范围扩展到标准二极管之外。在误差超过1 mV之前，需要10 pA的测试电流。这表示1 V输出范围。该电路开始限制齐纳电流远小于规定的1 mA，以实现4.7 V标称击穿电压。齐纳二极管最好在其额定击穿下工作，以获得最大的动态范围，同时降低温度灵敏度。可提供电流较低的齐纳二极管，例如 1N4624。工作电流也可以通过在V之间增加一个外部电阻来增加。警卫和信号接地。27Ω电阻需要1 mA齐纳电流才能降低ESD二极管两端的热电压。

总之，静电计级传感器接口通常需要反馈限制电路。这些电路需要专用二极管，每个二极管的成本为几美元。这些专用二极管可以用具有保护缓冲输出的静电计放大器的ESD二极管代替，例如ADA4530-1。这种方法创造了一个高性能限幅器，只需要一个外部元件，每件成本几美分。

审核编辑：郭婷