设计低泄漏飞安电路—低电流的承载

承载飞安级电流的电路具有许多在传统电路的设计和布局中通常不会考虑的微妙之处。如果忽略这些细微之处，电路就会失去低端分辨率，并因元件、材料和电路布局而出现漂移。了解电路的局限性和泄漏并提供最小化或消除它们的方法将改善电路性能。

皮安以下的世界是独特的，并且遵循不同的规则。在这个世界上，即使是电路的机械部分也可以成为电路的一部分。针对亚皮安和飞安级别的操作进行设计需要特殊的技术和妥协，而正常电流水平通常不需要。

不熟悉或忽视这些预防措施可能会给设计人员带来无尽的头痛。电气工程师会发现自己扮演着机械工程师的双重角色。

低电流应用从长远来看，1A 等于 6,241,500,000,000,000,000，或 6.24 ^18 个电子/秒；1 pA，或 1^12 A，等于 624 万电子/秒；1 fA 等于 1 ^15 A，或 6240 个电子/秒。在亚皮安世界中，存在三个共同的敌人：电流泄漏、噪声源和杂散电容。良好的低电流设计必须最大限度地减少这些共同敌人的影响，并在最佳性能和产品可制造性之间取得平衡。将需要可能与传统生产流程不兼容的特殊技术和材料.

这些高阻抗电路通常直接进入放大器输入，无需并联电阻连接。这些电路的示例包括 pH 探针、气体传感器放大器、医疗传感器、采样保持电路和三放大器仪表放大器。该电路的输入阻抗可以达到太欧姆范围。在这些低电流水平下通常使用跨阻放大器或电流电压转换器。

可以在同相放大器、光电探测器放大器、电流电压转换器和光电倍增电路中看到这种电路配置。放大器的反相输入节点及其反馈元件是关键节点。该节点的漏电流决定了器件的最终精度。

高电流电路，例如低频滤波器和对数放大器，也受益于低泄漏设计技术。与非优化设计相比，它们将具有更大的动态范围、更高的低端精度和更低的漂移。

干扰原因不干净的 PCB 走线可能会导致低电流时漏电。走线之间或绝缘材料上的污垢（而不是走线或电线本身）会导致泄漏，充当两个导体之间的导电介质。干污垢本身可能不会造成问题。然而，污垢与水分、盐分和油的组合会变得导电。这里的概念很简单：保持清洁。

水分是大多数泄漏问题的根源。当水分与环境盐和其他污染物结合时，其电导率会增加。绝缘体、PCB 和其他吸湿材料吸收水分，降低材料的电阻，导致导体之间的泄漏增加。

在材料和水分正确组合的情况下，导体之间的污染也会产生电化学反应。铜迹线和镀锌螺钉或铝壳之间的潮湿和含盐污垢会在材料之间产生电流。该电流不利于你的测量并导致材料腐蚀。由于湿度水平随一天、季节和地理位置的变化而变化，因此会产生难以消除的移动基线泄漏。这些泄漏每小时、每周或每年都会发生变化，具体取决于环境和季节。

空气中的颗粒和水分在导体上移动时会产生少量电荷，因此您应该保护输入电路免受移动气流的影响。确保风扇冷却气流不会直接吹过敏感节点。气流还会导致灰尘和湿气积聚在导体和组件上。

必须在设计中考虑绝缘材料的特性。这些材料通常通过连接器、支架或 PCB 与低电平信号直接接触。在电子工业中，最常见的绝缘体是玻璃纤维、玻璃、陶瓷、PVC（聚氯乙烯）、环氧树脂和聚四氟乙烯。每种材料都有其自身的弱点和优点。干燥空气是良好的绝缘体。将导体保持在空气中可以提供最低的泄漏结果。然而，空气的击穿电压确实较低，这限制了该技术在高压应用中的应用。PTFE（聚四氟乙烯）和FEP（氟化乙烯丙烯），通常称为特氟龙，具有常见绝缘材料中最好的泄漏和高电压特性，但它们价格昂贵、柔软且难以加工。由于材料和制造过程需要额外的步骤，特氟龙 PCB 价格昂贵。

陶瓷虽然是良好的绝缘体，但往往是压电的。陶瓷在受到压力或冲击时会自行产生电荷。如果未密封或上釉，它也很容易吸收水分。尽管玻璃是良好的绝缘体，但它也表现出陶瓷的一些压电特性。IC 封装使用模制玻璃环氧树脂化合物，允许电流低于 1 fA。环氧树脂是一种优良的、低成本的绝缘体；然而，它具有吸湿性，随着时间的推移会吸收水分。许多组件、连接器和电线绝缘层都使用 PVC，如果弯曲或与另一个导体摩擦，就会产生电荷，就像梳理头发会产生电流一样。因此，应避免在输入电路内部和周围使用 PVC 绝缘。

完全在聚四氟乙烯板上构建最终的低泄漏布局似乎是合乎逻辑的。然而，这可能是一个坏主意。由于聚四氟乙烯是良好的绝缘体，沉积在其表面的任何电荷都会慢慢消散。如果附近有敏感节点，累积的电荷将导致缓慢稳定或漂移。更好的方法是用受保护的导电平面覆盖大的表面区域。尽管这种方法似乎与低泄漏的愿望违反直觉，但应该尽量减少绝缘体的使用。绝缘体必须提供隔离，但使用过多绝缘体会提供积累额外电荷的表面。

对于低压电路，顶部带有一小块聚四氟乙烯绝缘材料的铝支座效果更好，而且比使用整个聚四氟乙烯支座更便宜。如果电路要处理高电压，则需要聚四氟乙烯支座，因为它具有更好的绝缘性能。对于交流电路，窄绝缘体具有较高的杂散电容，可能会导致其他问题。与所有模拟设计一样，您必须考虑许多权衡。PCB 对低泄漏设计有很大影响，因为 PCB 材料与所有电路节点紧密接触。

电路的性能取决于 PCB 材料的性能。与以千兆赫兹速度运行的射频电路一样，你应该将 PCB 视为有源组件。大多数 PCB 的材料特性和开发都集中在高频 RF 设计上。制造商根据以这些速度运行的电路调整 PCB 规格。他们通过指定体积电阻率来满足低电流要求。制造商的规格适用于加工前的新鲜层压材料，而不是成品。该产品由层压板、粘合胶、填料、阻焊层和丝网组成的三明治构成了 PCB。

最常见的 PCB 材料是 FR4（阻燃 4 级），它由环氧树脂浸渍的玻璃纤维布组成。制造商在高压下压缩这种环氧树脂以形成坚固的板。FR4具有良好的电气性能，但它并不是小电流电路最理想的材料。你可以使用特殊布局和电路技术来提高 FR4 的性能。

当性能比成本更重要时，你可以使用特殊的聚四氟乙烯或陶瓷混合材料，例如罗杰斯公司的 Duroid 混合基板材料，目标用于微波和超高速数字电路。该材料具有优异的受控介电性能，其杂散电容和漏电比 FR4 低两到三倍，但成本却高出两到五倍。

这些电路板还需要特殊的 PCB 制造工艺和蚀刻，而一些 PCB 制造厂可能无法满足这些要求。Rogers 柔软、可弯曲的 3003 材料是陶瓷增强 PTFE，需要背衬以保持机械稳定性。Rogers 5880是一种玻璃增强PTFE，可提供最佳的低电流和杂散电容，但它很脆且容易破裂。可以创建混合板，其中关键层采用先进材料，非关键层采用 FR4，并具有机械稳定性。然而，这种方法成本昂贵，并且需要使用先进的董事会。

放置阻焊层时要小心。尽管阻焊层通常有助于减少湿气渗透到 PCB 材料中，但大面积的聚四氟乙烯可能会出现表面电荷问题。更好的方法是在敏感节点周围使用裸铜保护平面区域。为了防止氧化，请对裸铜防护区域进行焊料平整或镀金或锡。

接口，防护，包围

将金属屏蔽层、外壳或外壳连接到地或公共电位。然而，在高阻抗下，这些屏蔽会产生杂散电容和泄漏问题。例如，检查输入电压为 2.5V、杂散电容和泄漏路径两端电压为 2.5V 的电路（图 1）。漏电阻两端的 2.5V 电压会产生漏电流，2.5V 源电压会对杂散电容进行充电或放电，这需要一些时间才能通过高源阻抗，并影响测量的稳定时间。

图 1漏电流和杂散电容可能会导致低电流电路出现问题。

防护装置在亚皮安设计中非常重要，因为它们可以消除输入漏电流和大部分夹具电容。将保护装置驱动至等于输入信号电平的电位。您应用来自测量放大器的缓冲输出。该防护装置充当子屏蔽，围绕并保护输入信号线。外部泄漏现在流入低阻抗保护，而不是输入走线（图 2）。这种方法仅产生几毫伏的电位差，而不是 2.5V 的电位差，并且流过泄漏电阻器 R LEAK和杂散电容电容器 C STRAY的电流更小。此外，保护装置还可通过自举效应降低输入电容。如果执行正确，这种方法可以消除夹具和电缆电容。不幸的是，无法抵消放大器的输入级电容。

图 2在输入节点和接地之间添加保护环将减少泄漏和电容负载效应。

将 PCB 上的输入走线和所有敏感反馈组件定位在厚铜保护走线的周边内（图 3）。然后，去除该区域的阻焊层以减少表面电荷。缓冲放大器A 2驱动保护环。

在反相和互阻抗设计中，将保护驱动至与同相输入节点相同的电位，并将同相引脚上的电位馈送到保护缓冲器。同相节点为低阻抗，缓冲器不会影响电路的运行。保护装置应覆盖整个输入部分、反相节点和反馈电阻。在不影响传感器操作的情况下，将其尽可能远地延伸到传感器电路中。

图 3该 PCB 上的厚铜迹线充当保护环。镀金走线可防止腐蚀。去除防护区域的阻焊层以减少泄漏。

在同相模式下设计时，通过缓冲器将保护装置驱动至与反相输入节点相同的电位。该节点通过放大器的反馈作用跟随输入信号。请注意，缓冲器输入的电容不会因反相节点的电容负载而导致峰值。保护驱动器放大器应具有单位增益功能，并具有短路和外部过压保护。缓冲器的带宽应略宽于主电路的带宽，以减少相位滞后误差。避免保护缓冲区中出现峰值响应，以防止系统不稳定。接地屏蔽通过将噪声分流到地来保护电路免受外部噪声和 EMI 的影响。由于接地屏蔽通常不跟随输入电压，因此它不会消除屏蔽引起的电容。

在前面的示例中，使用单独的放大器缓冲来自电路节点的保护线，提供低阻抗来驱动屏蔽和同轴电缆保护。如果需要保护一个小地点，可以从对面的输入端导出一个本地守卫。请记住，本地保护还会为其连接的节点添加电容。该电容可能导致同相放大器配置出现峰值。如果相反的节点为高阻抗，则保护器可能会将外部噪声引入求和节点，除非屏蔽保护器本身。请勿使用无缓冲保护来驱动外部电路。仅将其用于设备周围的直接区域。

请记住，守卫不是地面，而地面通常也不是守卫。保护线不应承载除漏电之外的任何电流，并且应将其视为信号线。为了实现有效的设计，请同时使用防护装置和接地装置。防护装置围绕输入走线，接地屏蔽层可保护防护装置免受外部干扰。布局 PCB 时，请将保护平面或保护走线放置在敏感走线下方。小心不要过度破坏电源层或接地层。在可见组件侧面使用金属屏蔽，并在敏感节点下方的层上使用保护走线，将输入电路包围在一个受保护的茧中。

应该将低电流电路封闭在密封环境中。如果可能，请放入干燥剂包以吸收水分。接线和控制井入口和出口点应密封。可以使用三轴电缆和连接器进行低电流测量。该电缆包含一个外部接地屏蔽层和一个围绕中心导体的内部保护屏蔽层，将保护层延伸至测量点。商业测试设备通常使用 Trompeter 70 系列三轴 BNC。安捷伦更喜欢三接线片样式，而吉时利更喜欢两接线片样式。

审核编辑：刘清