EP Basics: Operationsverstärker Kleine Biasströme mit einfachen Laborgeräten messen (Teil 1)

Obwohl sich Ströme im Femtoampere-Bereich in normalen Laborumgebungen messen lassen, müssen Entwickler den Pfad des Leckstroms auf der Eingangsseite eines Operationsverstärkers sorgfältig prüfen. Dieser zweiteilige Analogtipp erklärt, wie Sie die Genauigkeit der Messung verbessern können.

Teil 1 beschreibt die messtechnischen Grundlagen: Für Anwendungen mit geringem Leckstrom sind Operationsverstärker mit niedrigem Eingangsbiasstrom (I_B) Pflicht. Bei extrem niedrigen Biasströmen im Femtoampere-Bereich kann der gesamte Messaufbau, einschließlich der Vorrichtungen, Abschirmung, Kabel und Steckverbinder, die Messergebnisse beeinträchtigen.

Wir stellen eine Lösung mit dem Evaluierungsboard ADA4530 und handelsüblichen Laborgeräten vor, mit der sich Messungen für Ströme von 50 fA optimieren lassen.

Bildergalerie

Zunächst messen wir die Eingangskapazität für die Biasstrommessung und die Änderung der Ausgangsspannung durch Aufladen der Eingangskapazität bei 125 °C. Die Höhe des Biasstroms können Sie aus der gemessenen Ausgangsspannung ableiten. Abschließend optimieren wir die Messumgebung entsprechend der Messergebnisse.

Die Eingangskapazität (C_p) des ADA4530-1 müssen Sie messen, um die kapazitive Integrationsmessmethode zu verwenden. Dies wird mit dem ADA4530-1R-EBZ-BUF durchgeführt, wobei der ADA4530-1 im Puffermodus konfiguriert ist.

Als nächstes berechnen Sie den Eingangsstrom (I_B+). Bei der Schaltung in Bild 1 fließt der Biasstrom I_B+ in den Kondensator C_p, wenn der Schalter in der Testbox von EIN (geerdet gegen Masse) auf AUS (offen) geschaltet wird.

Die Ausgangsspannung steigt, wenn der Biasstrom I_B+ den Kondensator C_p auflädt. Die Höhe von I_B+ lässt sich mit Gleichung 1 berechnen.

I_B+ = (C_p dU_out) / dt (Gl.1)

Der Wert des Kondensators C_p lässt sich mithilfe des Serienwiderstands berechnen. Bild 2 zeigt eine einfache Schaltung. Der Wert des Serienwiderstands beträgt R_s = 8,68 MΩ. In der Testbox befindet sich auch ein Schalter (SW) für spätere Messexperimente (SW ist zu diesem Zeitpunkt offen).

Berechnen der Eingangskapazität des Operationsverstärkers

Die Frequenz, bei der die Wellenform des Funktionsgenerators auf –3 dB gedämpft wird, können Sie ebenfalls messen. Die Eingangskapazität lässt sich mit Gleichung 2 berechnen.

C_p = 1 / (2π R_S f_–3db) (Gl. 2)

Da die Temperatur in der Temperaturkammer bei dem beschriebenen Messexperiment auf 125°C steigt, kommen für eine solche Temperatur geeignete Werkstoffe zum Einsatz.

Als Koaxialkabel haben wir den Typ RG-316U verwendet. Die nichtinvertierenden Eingänge des ADA4530-1 am Evaluierungsboard sind Triax-Steckverbinder. Dazu brauchen wir einen Adapter Triax zu Koax (BJ-TXP-1 von Axis). Bei dieser Konfiguration bleibt die Schutzklemme auf der Triax-Seite potentialfrei.

OPV-Eingangskapazität: Die Messergebnisse

Als Messergebnis haben wir C_p = 73,6 pF ermittelt. Dies ist ein relativ hoher Wert im Vergleich zur Applikationsschrift AN-1373, die etwa 2 pF angibt. Der Grund für den abweichenden Wert ist die Kabellänge der Testbox zum nichtinvertierenden Eingang.

Nun können wir mit der Messung des Biasstroms beginnen. Bild 1 zeigt die Schaltungskonfiguration, Bild 3 die angebrachte Testbox. Zunächst schließen wir den Schalter (SW) gegen Masse (GND) kurz und öffnen ihn anschließend wieder.

Die Schwankungen der Ausgangsspannung überwachen wir einige Minuten lang mit einem Digitalmultimeter (DMM) (zum Einsatz kam das DMM 34401A von Keysight).

Abschließend berechnen Sie I_B+, indem Sie U_OUT in Gleichung 1 einsetzen.

Keine Wiederholgenauigkeit der Spannungswerte – was nun?

Die Ergebnisse von drei Messungen unter den gleichen Bedingungen zeigt Bild 5. Der untere Teil zeigt die mit dem DMM gemessene Ausgangsspannungsschwankung des ADA4530-1. Im oberen Teil sind die mit Gleichung 1 berechneten Stromwerte aufgetragen. Es zeigt sich, dass es für alle drei Fälle keine Wiederholbarkeit der gemessenen Spannungswerte gibt.

Wie sich die Messumgebungen optimieren lassen, beschreibe ich in Teil 2 dieses Analogtipps. (kr)

* Aoi Ueda arbeitet als Field Applications Engineer bei Analog Devices in Tokio / Japan.

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