测量来自极高阻抗传感器的信号是一项艰巨的任务。这些传感器的输出阻抗可以达到太赫兹(1 × 10(12) 欧姆)。来自法拉第杯和光电二极管等传感器的微小信号电流需要静电计级放大器进行测量。当配置为跨阻放大器(TIA)时，这些放大器可以解析小至1飞安(1 × 10(-15) A)的电流。许多应用需要保护这些电路免受超量程。保护元件价格昂贵，降低了电路性能。本文将介绍这些保护电路以及在降低成本的同时提高性能的方法。

保护的需要

高阻抗电流输出传感器被设计为在零电压偏置下工作。TIA电路迫使传感器上的电压为0v。当所有的传感器电流流过反馈电阻时，零传感器电压是可能的。负反馈迫使放大器输出电压，导致必要的电流在反馈电阻中流动。根据欧姆定律，所需的输出电压等于传感器电流乘以反馈电阻。

放大器的输出电压摆幅限制了通过反馈电阻的最大电流。当传感器电流大于最大反馈电阻电流时，传感器电压不能保持为零。过量的电流增加了传感器电压，直到另一条路径可以吸收它。放大器中的静电放电(ESD)保护装置通常会吸收这些过量电流。

许多应用程序不能容忍这种超范围，因为它可能有很长的恢复时间，并且可能干扰其他信道。恢复时间长是由于电容，必须放电。所有的传感器、电缆和输入电容必须通过反馈电阻放电。反馈电阻限制放电速率。更糟糕的是，这些绝缘体的介电吸收产生了响应电压变化的剩余电流。这些残余电流可能需要几分钟或几小时才能完全消散。在多个传感器相互靠近的系统中，干扰是另一个问题。过载传感器上的电压变化电容耦合到相邻通道上。这种耦合电容注入电流并破坏相邻通道的测量。

限幅电路

需要一个反馈限制电路来避免超量程问题。反馈限制器包括一个非线性反馈元件，它可以处理大量的电流，而不会对放大器输出产生高电压。一个简单的反馈限制电路在反馈电阻上并联一个二极管(图1)。当输出电压降低时，二极管(D(1))开始从传感器传导一些电流。二极管的指数特性使其能够处理非常大的传感器电流而不会截断放大器的输出。

限幅器所用二极管必须选择正确，以免影响电路的性能;这对于非常高阻抗的TIA电路来说是一项具有挑战性的任务。在低输出电压下，二极管表现为电阻，其电阻取决于饱和电流(I(S))。这个电阻通常称为二极管分流电阻。并联电阻与反馈电阻并联，因此必须比反馈电阻大得多，以避免破坏TIA的传递函数。这是困难的，因为分流电阻具有指数温度依赖性;温度每升高10°C，其值就会下降一半。静电计电路中使用的巨大反馈电阻需要仔细选择二极管。这些元件需要专门设计的低漏电二极管或小型离散JFET的栅极二极管。这些专业二极管通常相当昂贵，每个花费几美元。

二极管的指数电流电压特性也是造成该电路严重限制的原因。一旦施加电压(V(A))大于热电压(kT/q)，指数特性开始占主导地位。一旦输出电压幅度大于热电压，简单限幅器TIA电路的线性度就开始下降。室温下的热电压仅为26 mV，这大大限制了电路的动态范围。

使用保护技术可以降低简单限幅器的输出范围限制(图2)。通过R(1)电阻将限幅器二极管(D(1))上的电压驱动为零。这个电压(V(GUARD))可以由放大器通过输出二极管(D(2))拉下来。一旦V(GUARD)超过热电压，反馈限制启动，允许D(1)导通。电阻R(1)可以被调整为需要从D(2)产生相当大的电流来产生这个压降。例如，1 k欧姆电阻器需要26 μ a的二极管电流才能产生26 mV的下降;这比一个简单的限幅器所需的几十飞安培要大得多。这些大电流降低了对输出二极管的要求。常规二极管可用于D(2)，而不是D(1)所需的专用二极管。该电路允许通过将D(2)替换为一系列二极管或单个齐纳二极管来调整输出范围。这些电路也可以通过用适当的反平行二极管或背对背齐纳二极管替换每个二极管来进行双向限制。

与简单的二极管限制器相比，保护电路提供了相当大的性能改进，但它仍然依赖于昂贵的D(1)二极管的性能。这些价格和性能限制可以通过使用静电计放大器，有一个内部保护缓冲器与保护引脚消除。其中一个这样的放大器是ADA4530-1。(1)该放大器的内部保护缓冲器以保护电压驱动ESD保护二极管。这个保护电压通过消除ESD二极管上的电压降来保持低输入偏置电流。这些ESD二极管是专门设计的，具有非常低的泄漏电流。

这些片上ESD二极管可用于保护限幅器电路(图3)。ESD二极管现在具有专用二极管D(1)的功能。保护缓冲器有一个1 k欧姆输出电阻，作为电阻R(1)。唯一的外部元件是输出二极管D(2)。这个输出二极管连接在保护引脚(引脚7)和输出电压之间。一旦热电压在V(GUARD)节点上产生，电路就开始限制。

测量结果

构建了100 G欧姆 TIA电路，比较了使用专用低漏二极管的简单二极管限幅器与使用ESD二极管的保护限幅器的性能。所使用的所有部件的零件号见表1。对静电计放大器评估板进行了改进，以构建这些电路。重要的是要提到放大器保护输出不应该用来驱动保护环，因为它的电压变化。保护环的驱动应采用非反相放大器输入的信号接地连接。

通过将静电计级源测量单元(SMU) (Keithley 6430)的测试电流强制输入电路，并使用高精度DMM (Keysight 3458a)测量输出电压，对电路进行评估。所有测试均在25°C下进行，电源为±5 V。测试电流范围为10 fA至100 pA，输出电压范围为1 mV至5 V(图4)。通过绘制理想输出电压与实际输出电压之间的差值来评估线性度(图5)。在没有任何反馈限制器(黑色曲线)的情况下建立基线性能。在没有限制的情况下，误差小于1mv，直到放大器输出摆到电源轨。

采用低漏PAD1二极管实现了简单的二极管限幅电路。PAD1二极管是这类应用的常用选择。在低测试电流下，简单限幅器(红色曲线)的性能与基线相同。这意味着二极管的饱和电流电阻明显高于100 G欧姆(在25°C时)。正如预期的那样，输出范围非常有限;在测试电流为600 fA时，输出误差超过1 mV。该测试电流水平对应于60毫伏输出电压范围。

采用低成本的1N4148输出二极管(D(2))对保护ESD二极管限幅器(图3)进行了评估。再一次，这个受保护的限幅器性能(蓝色曲线)与低测试电流下的基准性能相匹配。集成在静电计放大器上的低泄漏ESD二极管负责这种良好的性能。1N4148只提供反馈电流。动态范围也得到了改善，在误差超过1 mV之前，需要2.5 pA的测试电流。这对应于250mv的输出范围，这是一个4倍的改进。

通过将输出二极管替换为1N5230齐纳二极管，证明了该电路的灵活性。在低测试电流下，该电路的性能与基线电路(绿色曲线)相同。动态范围超出了标准二极管。在误差超过1mv之前，需要10pa的测试电流。这表示一个1v的输出范围。该电路开始限制齐纳电流远小于规定的1 mA，以实现4.7 V标称击穿电压。在降低温度灵敏度的情况下，在最大的动态范围内工作齐纳二极管的额定击穿是理想的。低电流齐纳二极管可用，如1N4624。工作电流也可以通过在V(GUARD)和信号地之间增加一个外部电阻来增加。一个27欧姆电阻器将需要1毫安的齐纳电流来降低ESD二极管的热电压。

总之，静电计级传感器接口通常需要反馈限制电路。这些电路需要特殊的二极管，每个要花几美元。这些专用二极管可以由具有保护缓冲输出的静电计放大器(如ADA4530-1)的ESD二极管取代。这种方法创造了一种高性能限制器，只需要一个成本低廉的外部组件。