承載飛安級電流的電路具有許多在傳統(tǒng)電路的設計和布局中通常不會考慮的微妙之處。如果忽略這些細微之處，電路就會失去低端分辨率，并因元件、材料和電路布局而出現(xiàn)漂移。了解電路的局限性和泄漏并提供最小化或消除它們的方法將改善電路性能。

皮安以下的世界是獨特的，并且遵循不同的規(guī)則。在這個世界上，即使是電路的機械部分也可以成為電路的一部分。針對亞皮安和飛安級別的操作進行設計需要特殊的技術和妥協(xié)，而正常電流水平通常不需要。

不熟悉或忽視這些預防措施可能會給設計人員帶來無盡的頭痛。電氣工程師會發(fā)現(xiàn)自己扮演著機械工程師的雙重角色。

低電流應用從長遠來看，1A 等于 6,241,500,000,000,000,000，或 6.24 ^18 個電子/秒；1 pA，或 1^12 A，等于 624 萬電子/秒；1 fA 等于 1 ^15 A，或 6240 個電子/秒。在亞皮安世界中，存在三個共同的敵人：電流泄漏、噪聲源和雜散電容。良好的低電流設計必須最大限度地減少這些共同敵人的影響，并在最佳性能和產(chǎn)品可制造性之間取得平衡。將需要可能與傳統(tǒng)生產(chǎn)流程不兼容的特殊技術和材料.

這些高阻抗電路通常直接進入放大器輸入，無需并聯(lián)電阻連接。這些電路的示例包括 pH 探針、氣體傳感器放大器、醫(yī)療傳感器、采樣保持電路和三放大器儀表放大器。該電路的輸入阻抗可以達到太歐姆范圍。在這些低電流水平下通常使用跨阻放大器或電流電壓轉(zhuǎn)換器。

可以在同相放大器、光電探測器放大器、電流電壓轉(zhuǎn)換器和光電倍增電路中看到這種電路配置。放大器的反相輸入節(jié)點及其反饋元件是關鍵節(jié)點。該節(jié)點的漏電流決定了器件的最終精度。

高電流電路，例如低頻濾波器和對數(shù)放大器，也受益于低泄漏設計技術。與非優(yōu)化設計相比，它們將具有更大的動態(tài)范圍、更高的低端精度和更低的漂移。

干擾原因不干凈的 PCB 走線可能會導致低電流時漏電。走線之間或絕緣材料上的污垢（而不是走線或電線本身）會導致泄漏，充當兩個導體之間的導電介質(zhì)。干污垢本身可能不會造成問題。然而，污垢與水分、鹽分和油的組合會變得導電。這里的概念很簡單：保持清潔。

水分是大多數(shù)泄漏問題的根源。當水分與環(huán)境鹽和其他污染物結(jié)合時，其電導率會增加。絕緣體、PCB 和其他吸濕材料吸收水分，降低材料的電阻，導致導體之間的泄漏增加。

在材料和水分正確組合的情況下，導體之間的污染也會產(chǎn)生電化學反應。銅跡線和鍍鋅螺釘或鋁殼之間的潮濕和含鹽污垢會在材料之間產(chǎn)生電流。該電流不利于你的測量并導致材料腐蝕。由于濕度水平隨一天、季節(jié)和地理位置的變化而變化，因此會產(chǎn)生難以消除的移動基線泄漏。這些泄漏每小時、每周或每年都會發(fā)生變化，具體取決于環(huán)境和季節(jié)。

空氣中的顆粒和水分在導體上移動時會產(chǎn)生少量電荷，因此您應該保護輸入電路免受移動氣流的影響。確保風扇冷卻氣流不會直接吹過敏感節(jié)點。氣流還會導致灰塵和濕氣積聚在導體和組件上。

必須在設計中考慮絕緣材料的特性。這些材料通常通過連接器、支架或 PCB 與低電平信號直接接觸。在電子工業(yè)中，最常見的絕緣體是玻璃纖維、玻璃、陶瓷、PVC（聚氯乙烯）、環(huán)氧樹脂和聚四氟乙烯。每種材料都有其自身的弱點和優(yōu)點。干燥空氣是良好的絕緣體。將導體保持在空氣中可以提供最低的泄漏結(jié)果。然而，空氣的擊穿電壓確實較低，這限制了該技術在高壓應用中的應用。PTFE（聚四氟乙烯）和FEP（氟化乙烯丙烯），通常稱為特氟龍，具有常見絕緣材料中最好的泄漏和高電壓特性，但它們價格昂貴、柔軟且難以加工。由于材料和制造過程需要額外的步驟，特氟龍 PCB 價格昂貴。

陶瓷雖然是良好的絕緣體，但往往是壓電的。陶瓷在受到壓力或沖擊時會自行產(chǎn)生電荷。如果未密封或上釉，它也很容易吸收水分。盡管玻璃是良好的絕緣體，但它也表現(xiàn)出陶瓷的一些壓電特性。IC 封裝使用模制玻璃環(huán)氧樹脂化合物，允許電流低于 1 fA。環(huán)氧樹脂是一種優(yōu)良的、低成本的絕緣體；然而，它具有吸濕性，隨著時間的推移會吸收水分。許多組件、連接器和電線絕緣層都使用 PVC，如果彎曲或與另一個導體摩擦，就會產(chǎn)生電荷，就像梳理頭發(fā)會產(chǎn)生電流一樣。因此，應避免在輸入電路內(nèi)部和周圍使用 PVC 絕緣。

完全在聚四氟乙烯板上構建最終的低泄漏布局似乎是合乎邏輯的。然而，這可能是一個壞主意。由于聚四氟乙烯是良好的絕緣體，沉積在其表面的任何電荷都會慢慢消散。如果附近有敏感節(jié)點，累積的電荷將導致緩慢穩(wěn)定或漂移。更好的方法是用受保護的導電平面覆蓋大的表面區(qū)域。盡管這種方法似乎與低泄漏的愿望違反直覺，但應該盡量減少絕緣體的使用。絕緣體必須提供隔離，但使用過多絕緣體會提供積累額外電荷的表面。

對于低壓電路，頂部帶有一小塊聚四氟乙烯絕緣材料的鋁支座效果更好，而且比使用整個聚四氟乙烯支座更便宜。如果電路要處理高電壓，則需要聚四氟乙烯支座，因為它具有更好的絕緣性能。對于交流電路，窄絕緣體具有較高的雜散電容，可能會導致其他問題。與所有模擬設計一樣，您必須考慮許多權衡。PCB 對低泄漏設計有很大影響，因為 PCB 材料與所有電路節(jié)點緊密接觸。

電路的性能取決于 PCB 材料的性能。與以千兆赫茲速度運行的射頻電路一樣，你應該將 PCB 視為有源組件。大多數(shù) PCB 的材料特性和開發(fā)都集中在高頻 RF 設計上。制造商根據(jù)以這些速度運行的電路調(diào)整 PCB 規(guī)格。他們通過指定體積電阻率來滿足低電流要求。制造商的規(guī)格適用于加工前的新鮮層壓材料，而不是成品。該產(chǎn)品由層壓板、粘合膠、填料、阻焊層和絲網(wǎng)組成的三明治構成了 PCB。

最常見的 PCB 材料是 FR4（阻燃 4 級），它由環(huán)氧樹脂浸漬的玻璃纖維布組成。制造商在高壓下壓縮這種環(huán)氧樹脂以形成堅固的板。FR4具有良好的電氣性能，但它并不是小電流電路最理想的材料。你可以使用特殊布局和電路技術來提高 FR4 的性能。

當性能比成本更重要時，你可以使用特殊的聚四氟乙烯或陶瓷混合材料，例如羅杰斯公司的 Duroid 混合基板材料，目標用于微波和超高速數(shù)字電路。該材料具有優(yōu)異的受控介電性能，其雜散電容和漏電比 FR4 低兩到三倍，但成本卻高出兩到五倍。

這些電路板還需要特殊的 PCB 制造工藝和蝕刻，而一些 PCB 制造廠可能無法滿足這些要求。Rogers 柔軟、可彎曲的 3003 材料是陶瓷增強 PTFE，需要背襯以保持機械穩(wěn)定性。Rogers 5880是一種玻璃增強PTFE，可提供最佳的低電流和雜散電容，但它很脆且容易破裂。可以創(chuàng)建混合板，其中關鍵層采用先進材料，非關鍵層采用 FR4，并具有機械穩(wěn)定性。然而，這種方法成本昂貴，并且需要使用先進的董事會。

放置阻焊層時要小心。盡管阻焊層通常有助于減少濕氣滲透到 PCB 材料中，但大面積的聚四氟乙烯可能會出現(xiàn)表面電荷問題。更好的方法是在敏感節(jié)點周圍使用裸銅保護平面區(qū)域。為了防止氧化，請對裸銅防護區(qū)域進行焊料平整或鍍金或錫。

接口，防護，包圍

將金屬屏蔽層、外殼或外殼連接到地或公共電位。然而，在高阻抗下，這些屏蔽會產(chǎn)生雜散電容和泄漏問題。例如，檢查輸入電壓為 2.5V、雜散電容和泄漏路徑兩端電壓為 2.5V 的電路（圖 1）。漏電阻兩端的 2.5V 電壓會產(chǎn)生漏電流，2.5V 源電壓會對雜散電容進行充電或放電，這需要一些時間才能通過高源阻抗，并影響測量的穩(wěn)定時間。

圖 1漏電流和雜散電容可能會導致低電流電路出現(xiàn)問題。

防護裝置在亞皮安設計中非常重要，因為它們可以消除輸入漏電流和大部分夾具電容。將保護裝置驅(qū)動至等于輸入信號電平的電位。您應用來自測量放大器的緩沖輸出。該防護裝置充當子屏蔽，圍繞并保護輸入信號線。外部泄漏現(xiàn)在流入低阻抗保護，而不是輸入走線（圖 2）。這種方法僅產(chǎn)生幾毫伏的電位差，而不是 2.5V 的電位差，并且流過泄漏電阻器 R LEAK和雜散電容電容器 C STRAY的電流更小。此外，保護裝置還可通過自舉效應降低輸入電容。如果執(zhí)行正確，這種方法可以消除夾具和電纜電容。不幸的是，無法抵消放大器的輸入級電容。

圖 2在輸入節(jié)點和接地之間添加保護環(huán)將減少泄漏和電容負載效應。

將 PCB 上的輸入走線和所有敏感反饋組件定位在厚銅保護走線的周邊內(nèi)（圖 3）。然后，去除該區(qū)域的阻焊層以減少表面電荷。緩沖放大器A 2驅(qū)動保護環(huán)。

在反相和互阻抗設計中，將保護驅(qū)動至與同相輸入節(jié)點相同的電位，并將同相引腳上的電位饋送到保護緩沖器。同相節(jié)點為低阻抗，緩沖器不會影響電路的運行。保護裝置應覆蓋整個輸入部分、反相節(jié)點和反饋電阻。在不影響傳感器操作的情況下，將其盡可能遠地延伸到傳感器電路中。

圖 3該 PCB 上的厚銅跡線充當保護環(huán)。鍍金走線可防止腐蝕。去除防護區(qū)域的阻焊層以減少泄漏。

在同相模式下設計時，通過緩沖器將保護裝置驅(qū)動至與反相輸入節(jié)點相同的電位。該節(jié)點通過放大器的反饋作用跟隨輸入信號。請注意，緩沖器輸入的電容不會因反相節(jié)點的電容負載而導致峰值。保護驅(qū)動器放大器應具有單位增益功能，并具有短路和外部過壓保護。緩沖器的帶寬應略寬于主電路的帶寬，以減少相位滯后誤差。避免保護緩沖區(qū)中出現(xiàn)峰值響應，以防止系統(tǒng)不穩(wěn)定。接地屏蔽通過將噪聲分流到地來保護電路免受外部噪聲和 EMI 的影響。由于接地屏蔽通常不跟隨輸入電壓，因此它不會消除屏蔽引起的電容。

在前面的示例中，使用單獨的放大器緩沖來自電路節(jié)點的保護線，提供低阻抗來驅(qū)動屏蔽和同軸電纜保護。如果需要保護一個小地點，可以從對面的輸入端導出一個本地守衛(wèi)。請記住，本地保護還會為其連接的節(jié)點添加電容。該電容可能導致同相放大器配置出現(xiàn)峰值。如果相反的節(jié)點為高阻抗，則保護器可能會將外部噪聲引入求和節(jié)點，除非屏蔽保護器本身。請勿使用無緩沖保護來驅(qū)動外部電路。僅將其用于設備周圍的直接區(qū)域。

請記住，守衛(wèi)不是地面，而地面通常也不是守衛(wèi)。保護線不應承載除漏電之外的任何電流，并且應將其視為信號線。為了實現(xiàn)有效的設計，請同時使用防護裝置和接地裝置。防護裝置圍繞輸入走線，接地屏蔽層可保護防護裝置免受外部干擾。布局 PCB 時，請將保護平面或保護走線放置在敏感走線下方。小心不要過度破壞電源層或接地層。在可見組件側(cè)面使用金屬屏蔽，并在敏感節(jié)點下方的層上使用保護走線，將輸入電路包圍在一個受保護的繭中。

應該將低電流電路封閉在密封環(huán)境中。如果可能，請放入干燥劑包以吸收水分。接線和控制井入口和出口點應密封。可以使用三軸電纜和連接器進行低電流測量。該電纜包含一個外部接地屏蔽層和一個圍繞中心導體的內(nèi)部保護屏蔽層，將保護層延伸至測量點。商業(yè)測試設備通常使用 Trompeter 70 系列三軸 BNC。安捷倫更喜歡三接線片樣式，而吉時利更喜歡兩接線片樣式。

審核編輯：劉清