Pregunta:
¿Hay una forma sencilla de medir corrientes de polarización ultrabajas del orden de femtoamperios?

Respuesta:
Sí, solo hace falta una configuración meticulosa.

Introducción
En las aplicaciones que exijan una baja corriente de fuga es importante seleccionar un amplificador operacional con una baja corriente de polarización de entrada (IB). La nota de aplicación AN-1373 explica cómo medir una corriente de polarización ultrabaja con la tarjeta de evaluación ADA4530-1. No obstante, el manejo de corrientes del nivel de femtoamperios (fA) hace que el entorno de medida (dispositivos, blindaje, cables y conectores, entre otros) también afecte a los resultados de las medidas.
Este artículo presenta un montaje que recrea la medida de AN-1373 utilizando equipos de laboratorio de tipo comercial, dispositivos y materiales fáciles de obtener, y ofrece asimismo algunas soluciones para mejorar la medida con el fin de conseguir 50 fA. En primer lugar medimos la capacidad de entrada para medir la corriente de polarización y la variación de la tensión de salida con la carga de la capacidad de entrada bajo una temperatura de 125°C. También tratamos de obtener el valor de la corriente de polarización a partir de la tensión de salida medida. Finalmente, intentamos mejorar el entorno de medida a partir de los resultados.

Medida de integración capacitiva
Según AN-1373, la capacidad de entrada (Cp) de ADA4530-1 se debe medir primero con el fin de utilizar el método de medida integral de la capacidad. Realizaremos este experimento utilizando la ADA4530-1R-EBZ-BUF con el ADA4530-1 configurado en modo buffer.
A continuación, calculamos la corriente de entrada (IB+). En concreto, utilizando la configuración del circuito mostrada en la Figura 1, cuando el interruptor en la caja de test pasa de ON (conectado a tierra) a OFF (abierto), IB+ fluye hacia Cp. La tensión de salida aumenta a medida que IB+ carga Cp, por lo que el valor de IB+ se puede calcular monitorizándolo y sustituyéndolo en la Ecuación 1.

Figura 1. Diagrama del método de medida de integración capacitiva.

Medida de la capacidad de entrada total con una resistencia en serie de entrada
Para calcular Cp, este experimento adopta un método con una resistencia en serie de entrada. La Figura 2 muestra un diagrama sencillo del circuito. El valor de la resistencia en serie se basa en las directrices de medida indicadas en la página 6 de AN-1373 y el valor real es Rs = 8,68 MΩ. También se monta un interruptor en la caja de test para posteriores experimentos (el interruptor está abierto en este momento).
Se puede medir la frecuencia a la que se atenúa la forma de onda del generador de funciones hasta –3 dB y la capacidad de entrada se puede calcular mediante la Ecuación 2.

Figura 2. Cálculo de Cp con una resistencia en serie de entrada.

La Figura 3 muestra la configuración. Dado que la temperatura en la cámara de temperatura controlada aumenta hasta 125°C en el experimento descrito en la sección “Cómo medir IB+ con una capacidad de entrada conocida” (página 6 de AN-1373), utilizamos materiales que pueden resistir esta temperatura. Se utilizó RG-316U como material para el cable coaxial. Además, las entradas no inversoras del ADA4530-1 en la tarjeta de evaluación son conectores triaxiales. Por este motivo se usa un conector de conversión triaxial-coaxial (BJ-TXP-1 de Axis Company). En esta configuración se dejó flotando el terminal de protección en la parte triaxial.
Como resultado de la medida se obtuvo Cp = 73,6 pF, un valor relativamente grande dado que la medida real, según AN-1373, es de unos 2 pF. La razón que lo explica está relacionada con la longitud del cable entre la caja de test, que parece más bien una tarjeta de test, y la entrada no inversora.

Cómo medir IB+ con una capacidad de entrada conocida
Finalmente empezamos a medir la corriente de polarización. La configuración del circuito se muestra en la Figura 1 y la caja de test montada en la Figura 4. Obsérvese que se ha eliminado la resistencia de entrada utilizada en la sección “Medida de la capacidad de entrada total con una resistencia en serie de entrada”. Como se explica en AN-1373 (el método de medida de integración capacitiva, página 7), se cortocircuita el interruptor a tierra, luego se abre y se monitoriza la fluctuación de la tensión de salida con un multímetro digital durante algunos minutos (utilizamos el 34401A de Keysight Technologies). Finalmente calculamos la IB+ sustituyendo VOUT en la Ecuación 1.

Los resultados de las tres medidas bajo las mismas condiciones se pueden ver en la Figura 5. La parte inferior de la figura muestra la fluctuación de la tensión de salida del ADA4530-1 medido por el multímetro digital y la parte superior muestra el valor de la corriente calculada en la Ecuación 1. La figura demuestra que en los tres casos no hay repetibilidad en los valores de la tensión medida. Por tanto, la forma de onda del valor de la corriente calculada también es distinta al resultado descrito en AN-1373.

Figura 4. Configuración de la medida de integración capacitiva.

Figura 5. Resultados de las medidas. La parte inferior muestra la tensión de salida de ADA4530-1 medida por el multímetro digital y la parte superior muestra el valor de la corriente calculada mediante la Ecuación 1. La línea azul es la primera medida, la línea verde es la segunda medida y la línea roja es la tercera medida.

Cómo mejorar el entorno de medida
En la sección “Medida de integración capacitiva” hemos medido IB+ tomando como referencia AN-1373 pero los resultados diferían. En esta sección indicamos los pasos para mejorar el entorno de medida y por tanto la exactitud de las medidas.
Montar una caja blindada y acortar el cable de entrada
En primer lugar añadimos estas dos mejoras:
u Se instaló una caja blindada en la tarjeta de evaluación dentro de la cámara termostática (ver Figura 6).
u Se acortó el cable coaxial conectado al terminal de la entrada no inversora para reducir Cp (ver Figura 7).
Con lo primero esperamos reducir el efecto del ruido externo y con lo segundo esperamos reducir la pequeña corriente de fuga en el cable (la Cp recalculada es 35,2 pF). Sin embargo, aunque se tomaron estas medidas y se volvieron a medir, no se observó reproducibilidad, de forma similar a los resultados obtenidos en “Medida de integración capacitiva”. Las formas de onda diferían significativamente de las previstas.

Figura 6. Instalación de la caja blindada.


Retirar la caja de test
La caja de test utilizada se retiró y se cambió el interruptor acortando y abriendo directamente la conexión a tierra (ver Figura 8). En oteas palabras, el componente de conductancia denominado caja de test fue retirado y se tomó la medida. Como resultado de ello pudimos obtener la forma de onda mostrada en la Figura 9.
La tensión de salida medida por el multímetro digital aumentó siguiendo una pendiente constante y llegó hasta unos 4,16 V en todas las medidas. La corriente correspondiente indica un valor de unos 50 fA.

Figura 7. Acortamiento del cable coaxial.

Figura 8. Medida tras retirar la caja de test. La operación de cortocircuitado y apertura del circuito se realiza a mano y no con el interruptor.
Además, la línea roja de la Figura 9 muestra la forma de onda de la nueva medida con un cable coaxial más corto conectado al terminal de la entrada no inversora (Cp = 26,5 pF). El aumento de la pendiente de la tensión es tan grande como el cálculo teórico. A partir de estos resultados de las medidas se observa que el componente de conductancia en la etapa de entrada tiene un significativo efecto adverso sobre la exactitud de la medida.

Figura 9. Resultados de la medida tras retirar la caja de test. Las líneas azul, naranja y verde son los resultados de la medida a Cp = 35,2 pF. La línea roja es el resultado de la medida cuando Cp = 26,5 pF.

Conclusión
Si bien la medida del nivel de fA se puede llegar a cabo en un entorno de laboratorio de tipo general, es preciso prestar especial atención al recorrido de la corriente de fuga en la etapa de entrada del amplificador operacional.
Para mejorar la exactitud de la medida se recomienda utilizar una regleta de Teflon en la etapa de entrada o un cable triaxial junto con la tarjeta de evaluación.
Reconocimientos
El autor desea dar las gracias a Scott Hunt, Iku Nagai y Jun Kakinuma por su asesoría técnica.
Referencia
Wong, Vicky. “AN-1373 Application Note: ADA4530-1 Femtoampere Level Input Bias Current Measurement.” Analog Devices, Inc., Octubre 2015.

Acerca del autor
Aoi Ueda se unió a Analog Devices Japan (ADKK) en 2021 como ingeniero de aplicaciones de campo del Grupo de Instrumentación. Tiene un máster de ingeniería por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Nara en 2021 y una diplomatura por el Instituto Nacional de Tecnología de la Universidad de Nara en 2019. Es un otaku idol japonés. Su correo electrónico es Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo..