PD放大电路在布板时候如何减小漏电流

本文主要是整理下PD放大电路，在布板时候如何减小漏电流。因为一般PD前级放大电路处理的都是电流信号，当PD接收到的光信号很微弱时，意味着输入给放大电路的电流信号非常小，像我现在做的这个项目，放大电路处理的是pA级的电流信号。实际上，放大电路采集nA及以下的电流信号，layout时都需要注意漏电流了。

那么，当PD放大电路处理pA级电流信号，布板时比较随意、没有考虑漏电流的影响，会发生什么呢?

会出现当无光信号输入，放大电路理想情况下本该输出0V，实际输出的却是如110mV;这个数据是真实的，这是以前工程师做的PD放大电路板的实测数据，他就没有考虑到电路板上面的漏电流。这个直流误差会减小电路测量的动态范围，另外我觉得这个直流误差并不是不变化的，它会随着温度、湿度变化而变化，所以即使希望用软件调零的方式也会遇到些麻烦。图1是典型的跨阻放大电路，为了提高信噪比，我们通常都会让Rf很大，所以微弱的漏电流都会转化为比较大的直流误差。图2为PCB漏电流的一个数例，当我们最小输入电流为1pA，而电路板的漏电流却达到了150pA!

另外，布板问题导致的漏电流过大，也会让我们特别为跨阻放大电路应用选型的低输入偏置电流(Ibs)运放失去意义。

图1 跨阻放大电路的Rf通常都比较大，这里达到了1G，那么最小测量电流为1pA时，输出电压为1mV/pA。

图2 PCB漏电流的数例，就是简单的欧姆定律(I =V/R)算得的

现在知道了布板异常导致的漏电流，会对弱电流采样电路造成不小的负面影响，如减小动态测量范围，以及这个布板异常导致的漏电流是会变化的随着温度湿度，给软件调零带来麻烦。那么我们怎么布板才能避免它呢?图3是PCB上面的漏电流路径，本质上就是不要让电流灌入到运放的Vin-节点里去。

图3 跨组放大电路的漏电流路径

从欧姆定律I=V/R公式里，我们可以非常直观的找到如何解决漏电流问题，即增加R或者减小V。像我们以前色谱仪放大电路里面，为了减小PCB上面的漏电流，都是采用“空气布线”的方式，即所有连接到运放Vin-节点的线都是手工焊上去的，不跟PCB有任何连接，这是增加R以减小I的方式。这种减小漏电流的放大问题在于：不利于生产，且连接到Vin-的线如果没有固定牢固，那么比如用手拍一拍仪器输出信号会剧烈变化。这是由于位移电流引起的(I=dc/dt*V，线缆移动会带来分布电容变化导致了位移电流)，它虽然很小，但是放大电路非常灵敏度非常高，毕竟是测量pA级别信号的。麦克斯韦生前并没有合适的条件验证他理论推导出的位移电流是否存在，而现如今Ibs达到pA级别的运放都很常见很便宜了，如AD8065，测量位移电流变得非常方便，这是科技发展的一个小例子吧。

第二个解决PCB上漏电流的方法叫保护环，从欧姆定律理解就是减小V，当R两端的V几乎相等时，那么I自然就没有了。这种方法虽然layout时稍微麻烦一点，但是便于生产，而且不会出现机械震动会引起输出剧烈波动的问题。

图4 跨组放大电路的保护环设计(注意映射层也要包起来)

像我这次做的PD放大电路板，就是用的保护环设计。实测效果非常好，同样时1G放大倍率，当PD用黑胶带罩住无输入信号时，输出信号为0.1mV(这里包含了PD本身的暗电流);且多个板卡具有一致性。