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■ 簡介
ADA 4530 是一款 ADI 公司出品的低偏置電流的放大電路。根據(jù)手冊數(shù)據(jù)：它的偏置電流大約在 20fA 左右。因此它可以用于很多高阻放大電路。
▲ ADA4530 靜電計放大電路
下面是在 TB 上購買到的基于 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(xiàn)輸入之間跨接一個 10G 歐姆的電阻。。所以輸出電壓與輸入電流之間的關(guān)系為：
因此，輸出電壓每伏對應(yīng) 100pA，每 mV 對應(yīng) 100fA 的電流。
01 一些簡單測試實驗
1. 測量火焰中的離子
在富含氫碳化合物燃燒時會產(chǎn)生大量的電子和離子。普通氣體打火機中通常裝有丁烷（Butane），它的分子式為：）。具有 10 個 H-C 共價鍵。丁烷氣體燃燒時會產(chǎn)生大量的電子。
▲ 丁烷的分子式和分子結(jié)構(gòu)圖
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在靜電放大模塊輸入端口引線增加一片金屬網(wǎng)，或者純粹加一根鐵絲，在附近點燃打火機，此時空氣中會產(chǎn)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(wǎng)感應(yīng)電荷的變化，下一張圖是使用金屬絲感應(yīng)電荷的變化。對比可以看到，金屬網(wǎng)對火焰中的電荷變化更為明顯。
▲ 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
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火焰離子檢測器（FID）就是根據(jù)這個原理來檢測特定含有碳?xì)浠衔锏臐舛鹊摹?/p>
2. 放射衰變電流
在博文 放射源煙霧傳感器[1]中介紹了基于放射物質(zhì)镅（Americium）的煙霧傳感器。人造放射性元素镅（）的半衰期為 432 年。在煙霧傳感器中就包含一片含有镅的金屬片，它通過衰變可以電離空氣，產(chǎn)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(biāo)明的镅的活性所引起空氣電離電子的數(shù)量大體是在同一個數(shù)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(dǎo)體電子元器件，通常情況下，應(yīng)用它的單向?qū)ㄌ匦?，來進行信號的整流、檢波、鉗位邏輯運算等。用于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(guān)。當(dāng)二極管兩端的電壓為正時，開關(guān)閉合，反之開關(guān)打開。
當(dāng)信號頻率增加，則需要考慮二極管的分布電容參數(shù)；當(dāng)信號幅度弱的時候，則需要考慮二極管非線性。比如對于 高頻檢波 應(yīng)用中，則用于描述二極管 I-V 特性就非常復(fù)雜。
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理解二極管的工作模式是將來弄懂更加復(fù)雜元器件工作原理的基礎(chǔ)，比如 BJT，JFETS，MOSFET 等。這些器件都可以最終退化成一系列的 PN 節(jié)和電容的組合。
上面公式（2）給出了通常教科書中對于二極管 P-N 結(jié)電流 - 電壓關(guān)系式，但這個關(guān)系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(yīng)的電壓范圍。對應(yīng)的電流應(yīng)該在安培之間。這個電流適合使用靜電計來進行測量。
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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 是由數(shù)控直流電壓源提供，由于流經(jīng)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(jīng)過靜電放大器輸出的電壓 U2 經(jīng)過比例換算可以得到二極管的電流。
▲ 擴展量程之后的測量電路
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(shù)據(jù)。
▲ 實際 Silicon 整流二極管測量數(shù)據(jù)曲線
使用指數(shù)模型對上述測量結(jié)果進行建模：
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利用 scipy.optimize 中的 curve_fit 函數(shù)來進行曲線擬合，得到的參數(shù)為：[a,b,c]= [ ?8.44483303 ?0.09925057 -11.89422983]
繪制出模型曲線與測量曲線：
▲ 對測量的硅二極管的電壓與電流曲線與建模曲線的對比
可以看到，對于施加電壓對于 0 部分，擬合曲線的精度相當(dāng)好。而對于電壓小于 0 之后，測量的曲線電流就明顯偏離了模型指數(shù)曲線了，這種偏離來自于二極管內(nèi)部 PN 結(jié)邊緣處導(dǎo)電所引起的反向電流增加。
※ 結(jié)論
使用 ADA4531 fA 級靜電放大器[2] 可以測量飛安級別的小電流，那么對于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后，便可以揭示出很多物理過程的現(xiàn)象，這為進一步定量分析一些物理過程提供了數(shù)據(jù)的支撐。
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參考資料
[1]放射源煙霧傳感器: https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5NjQyNjc2NQ&mid=2452228140&idx=1&sn=2509997e46a8b7a0b50c3769f0579668&chksm=876ee64eb0196f584d09d2f13c181a882f01c3fd2d60c6bc9f05b9a091fb520cbb610d3ff87a&token=1391850963&lang=zh_CN#rd*
[2]ADA4531 fA 級靜電放大器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/107070715
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