测量来自极高阻抗传感器的信号是一项困难的任务。这些传感器的输出阻抗可以达到太欧（1×10¹² Ω）。像法拉第杯和光电二极管等传感器发出的微弱信号电流需要电流计级别的放大器进行测量。当这些放大器配置为跨阻放大器（TIA）时，它们可以解析小到1飞安培（1×10⁻¹⁵ A）的电流。许多应用需要保护这些电路免受超量程的影响。保护元件既昂贵又会降低电路的性能。本文将解释这些保护电路，并介绍在降低成本的同时提高性能的方法。
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。当所有传感器电流都流过反馈电阻器时，传感器电压为零。负反馈将放大器输出强制至电压，从而使必要的电流流过反馈电阻器。根据欧姆定律，所需的输出电压等于传感器电流乘以反馈电阻。
放大器的输出电压摆幅限制了通过反馈电阻器的最大电流。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为零。过大的电流会增加传感器电压，直到备用路径可以将其吸收。放大器中的静电放电 （ESD） 保护器件通常会吸收这些多余的电流。
许多应用程序不能容忍这种超范围，因为它的恢复时间可能很长，并且可能会干扰其他通道。电容的恢复时间长，必须放电。所有传感器、电缆和输入电容都必须通过反馈电阻器放电。反馈电阻器限制放电速率。更糟糕的是，这些绝缘体的介电吸收会产生响应电压变化的剩余电流。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中的另一个问题。过载传感器上的电压变化以电容方式耦合到相邻通道。该耦合电容会注入电流并破坏相邻通道的测量值。
Limiter 电路
需要一个反馈限制器电路来避免超量程问题。反馈限制器包括一个非线性反馈元件，可以处理大量电流，而不会产生会削波放大器输出的高电压。一个简单的反馈限制器电路增加了一个与反馈电阻器并联的二极管（图 1）。随着输出电压的降低，二极管 （D1） 开始传导来自传感器的一些电流。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。
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，二极管充当电阻器，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级温度依赖性;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泄漏二极管或小型分立 JFET 的栅极二极管。这些特种二极管通常非常昂贵，每个成本几美元。
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降低。室温下的热电压仅为 26 mV，这大大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 R 驱动为零1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 时启动警卫超过热电压，允许 D1进行。电阻 R1可以调整大小以需要来自 D 的大量电流2产生此电压降。例如，一个 1 kΩ 的电阻器需要 26 μA 的二极管电流才能产生 26 mV 的压降;这比简单限制器所需的数十飞安要多得多。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 D2而不是 D 所需的专用二极管1.该电路允许通过将 D2带有一串二极管或单个齐纳二极管。这些电路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双向限制。
与简单的二极管限幅器相比，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。通过使用具有带保护引脚的内部保护缓冲器的静电计放大器，可以消除这些价格和性能限制。其中一种放大器是 ADA4530-1。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 二极管经过专门设计，具有非常低的漏电流。
这些片上 ESD 二极管可用于受保护的限制器电路（图 3）。ESD 二极管现在具有特种二极管 D 的功能1.保护缓冲器具有一个 1 kΩ 输出电阻，用作电阻器 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。
测量结果
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图 4. |
ADA4530-1R-EBZ-TIA 评估板。 |
构建了一个 100 GΩ TIA 电路，以比较使用专用低泄漏二极管的简单二极管限制器与使用 ESD 二极管的保护限制器的性能。所有使用的组件的零件编号见表 1。对静电计放大器评估板进行了修改以构建这些电路（图 4）。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。保护环应使用从同相放大器输入端获取的信号接地连接来驱动。
通过强制测试电流从静电计级源测量单元 （SMU） （Keithley 6430） 进入电路，并使用高精度数字万用表 （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 电源进行。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 5）。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 6）。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。如果不进行限制，则误差小于 1 mV，直到放大器输出摆动至电源轨。
简单的二极管限制器电路是使用低泄漏 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（在 25 °C 时）。正如预期的那样，输出范围非常有限;在 600 fA 的测试电流下，输出误差超过 1 mV。此测试电流水平对应于 60 mV 的输出电压范围。
受保护的 ESD 二极管限制器（图 3）与低成本 1N4148 输出二极管 （D2).同样，这种受保护的限幅器性能（蓝色曲线）与低测试电流下的基线性能相匹配。静电计放大器上集成的低泄漏 ESD 二极管是实现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。这对应于 250 mV 的输出范围，即 4× 的改进。
通过用 1N5230 齐纳二极管替换输出二极管来证明该电路的灵活性。在低测试电流下，该电路的性能与基线电路（绿色曲线）相同。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。该电路以远小于规定的 1 mA 的齐纳电流开始限制，以实现 4.7 V 的标称击穿电压。齐纳二极管最好在其额定击穿电流下工作，以获得最大的动态范围，同时降低温度敏感性。可以使用较低电流的齐纳二极管，例如 1N4624。也可以通过在 V 之间添加一个外部电阻器来增加工作电流警卫和信号接地。一个 27 Ω 的电阻器需要 1 mA 的齐纳电流才能降低 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替换为静电计放大器的 ESD 二极管，例如ADA4530-1。这种方法创建了一个高性能限幅器，只需要一个单独的外部元件，每件成本几美分。
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