Los limitadores protegidos mejoran el rango dinámico de los sensores de alta impedancia

Medir las señales de los sensores de muy alta impedancia es una tarea difícil. Estos sensores pueden tener impedancias de salida en los teraohmios (1 × 10¹² Ω). Las diminutas corrientes de señal de los sensores, como las copas de Faraday y los fotodiodos, requieren amplificadores de grado electrométrico para poder medirlas. Estos amplificadores pueden resolver corrientes tan pequeñas como 1 femtoamperio (1 × 10^-15 A) cuando se configura como un amplificador de transimpedancia (TIA). Muchas aplicaciones requieren la protección de estos circuitos contra el exceso de alcance. Los componentes de protección son caros y degradan el rendimiento del circuito. Este artículo explica estos circuitos de protección y los métodos para mejorar el rendimiento y reducir el coste.

La necesidad de protección

Los sensores de salida de corriente de alta impedancia están diseñados para funcionar con una polarización de tensión cero. El circuito TIA fuerza la tensión a través del sensor a 0 V. La tensión cero del sensor es posible cuando toda la corriente del sensor fluye a través de la resistencia de retroalimentación. La retroalimentación negativa fuerza la salida del amplificador a la tensión que hace que la corriente necesaria fluya a través de la resistencia de retroalimentación. La tensión de salida necesaria es igual a la corriente del sensor multiplicada por la resistencia de retroalimentación según la ley de Ohm.

La oscilación de la tensión de salida del amplificador limita la corriente máxima a través de la resistencia de realimentación. La tensión del sensor no puede mantenerse a cero cuando la corriente del sensor supera la corriente máxima a través de la resistencia de retroalimentación. El exceso de corriente aumenta el voltaje del sensor hasta que otra vía pueda reducirlo. Los dispositivos de protección contra descargas electrostáticas (ESD) del amplificador suelen absorber este exceso de corriente.

Muchas aplicaciones no pueden tolerar este tipo de rebasamiento porque puede tener un largo tiempo de recuperación y puede interferir con otros canales. Los largos tiempos de recuperación se deben a la capacitancia, que debe descargarse. Toda la capacitancia del sensor, del cableado y de la entrada debe descargarse a través de la resistencia de retroalimentación. La resistencia de retroalimentación limita la velocidad de descarga. Peor aún, la absorción dieléctrica de estos aislantes crea corrientes residuales en respuesta al cambio de tensión. Estas corrientes residuales pueden tardar minutos u horas en disiparse completamente. Las interferencias son otro problema en los sistemas con múltiples sensores muy próximos entre sí. El cambio de tensión en el sensor sobrecargado se acopla capacitivamente a los canales adyacentes. Esta capacitancia de acoplamiento inyecta corriente y corrompe las mediciones de los canales adyacentes.

Circuitos limitadores

Es necesario un circuito limitador de realimentación para evitar problemas de sobrecarga. Los limitadores de realimentación incluyen un elemento de realimentación no lineal que puede manejar grandes cantidades de corriente sin que las altas tensiones recorten la salida del amplificador. Un simple circuito limitador de realimentación añade un diodo en paralelo con la resistencia de realimentación (Figura 1). Al caer la tensión de salida, el diodo (D₁) comienza a conducir algo de corriente desde el sensor. La característica exponencial del diodo le permite manejar cantidades muy grandes de corriente del sensor sin recortar la salida del amplificador.

El diodo utilizado para el limitador debe seleccionarse correctamente para no arruinar el rendimiento del circuito; esto es una tarea difícil para los circuitos TIA de muy alta impedancia. A bajas tensiones de salida, el diodo se comporta como una resistencia cuya resistencia depende de la corriente de saturación (I_S). Esta resistencia suele llamarse resistencia de derivación de diodos. La resistencia de derivación está en paralelo con la resistencia de realimentación, por lo que debe ser mucho mayor que ésta para no corromper la función de transferencia de la TIA. Esto es difícil porque la resistencia de derivación tiene una dependencia exponencial de la temperatura; su valor disminuye a la mitad por cada 10 °C de aumento de la temperatura. Las enormes resistencias de retroalimentación utilizadas en los circuitos de los electrómetros exigen una cuidadosa selección de los diodos. Estos componentes requieren diodos de baja fuga especialmente diseñados o el diodo de puerta de un pequeño JFET discreto. Estos diodos especializados suelen ser bastante caros, costando unos cuantos dólares cada uno.

La característica de tensión de corriente exponencial del diodo es también la causa de una grave limitación de este circuito. Una vez que la tensión aplicada (V_A) es mayor que la tensión térmica (kT/q), la característica exponencial empieza a dominar. La linealidad del circuito TIA del limitador simple empieza a degradarse en cuanto la amplitud de la tensión de salida es superior a la tensión térmica. La tensión térmica es de sólo 26 mV a temperatura ambiente, lo que limita considerablemente el rango dinámico del circuito.

Los límites del rango de salida del limitador simple pueden reducirse utilizando técnicas de protección (Figura 2). La tensión a través del diodo limitador (D₁) se pone a cero con el R₁ resistencia. Esta tensión (V_GUARDIA) puede ser bajada por el amplificador a través del diodo de salida (D₂). La limitación de la retroalimentación comienza una vez que V_GUARDIA supera la tensión térmica, permitiendo que D₁ para conducir. Resistencia R₁ puede ser dimensionado para requerir una cantidad considerable de D₂ para crear esta caída de tensión. Por ejemplo, una resistencia de 1 kΩ requiere 26 µA de corriente de diodo para provocar una caída de 26 mV; esto es mucho más que las decenas de femtoamperios que necesita un simple limitador. Estas grandes corrientes facilitan los requisitos del diodo de salida. Los diodos convencionales pueden utilizarse para D₂ en lugar de los diodos especiales necesarios para D₁. Este circuito permite ajustar el rango de salida sustituyendo D₂ con una cadena de diodos en serie o un solo diodo Zener. Estos circuitos también pueden modificarse para una limitación bidireccional, sustituyendo cada diodo por los diodos antiparalelos adecuados o por diodos Zener espalda con espalda.

El circuito protegido ofrece una considerable mejora de rendimiento respecto al simple limitador de diodos, pero sigue dependiendo del rendimiento del costoso D₁ diodo. Estas limitaciones de precio y rendimiento pueden eliminarse utilizando un amplificador electrométrico que tenga un buffer de guarda interno con pines de guarda. Uno de estos amplificadores es el ADA4530-1.¹ El búfer de guarda interno de este amplificador acciona los diodos de protección ESD con una tensión de guarda. Esta tensión de guarda mantiene baja la corriente de polarización de entrada, eliminando las caídas de tensión en los diodos ESD. Estos diodos ESD están especialmente diseñados para tener corrientes de fuga muy bajas.

Estos diodos ESD en chip pueden utilizarse en el circuito limitador protegido (Figura 3). Los diodos ESD cumplen ahora la función de un diodo especial D₁. El buffer de guarda tiene una resistencia de salida de 1 kΩ que funciona como R₁. El único componente externo es el diodo de salida, D₂. Este diodo de salida se conecta entre el pin de protección (pin 7) y la tensión de salida. El circuito comienza a limitar una vez que se crea una tensión térmica en el pin V_GUARDIA nudo.

Resultados de las mediciones

Se construyó un circuito TIA de 100 GΩ para comparar el rendimiento del limitador de un solo diodo que utiliza un diodo dedicado de baja fuga con el limitador protegido que utiliza diodos ESD. Los números de pieza de todos los componentes utilizados se encuentran en la Tabla 1. La placa de evaluación del amplificador electrométrico se modificó para construir estos circuitos. Es importante mencionar que la salida de guarda del amplificador no debe utilizarse para accionar los anillos de guarda al cambiar su tensión. Los anillos de protección deben accionarse con la conexión de tierra de la señal tomada de la entrada no inversora del amplificador.

Los circuitos se evaluaron forzando una corriente de prueba desde una unidad de medición de fuentes (SMU) de grado electrométrico (Keithley 6430) en el circuito y midiendo la tensión de salida con un DMM de alta precisión (Keysight 3458a). Todas las pruebas se realizaron a 25°C con suministros de ±5 V. La corriente de prueba oscila entre 10 fA y 100 pA y la tensión de salida oscila entre 1 mV y 5 V (Figura 4). La linealidad se evalúa trazando la diferencia entre la tensión de salida ideal y la real (Figura 5). El rendimiento de referencia se establece sin ningún limitador de retroalimentación (curvas negras). Sin limitación, el error es inferior a 1 mV hasta que la salida del amplificador pasa al carril de alimentación.

El circuito limitador de diodo simple se implementó utilizando el diodo PAD1 de baja fuga. El diodo PAD1 es una opción habitual para este tipo de aplicaciones. El rendimiento del limitador simple (curvas rojas) es idéntico al de la línea de base a bajas corrientes de prueba. Esto significa que la resistencia de la corriente de saturación del diodo es muy superior a 100 GΩ (a 25 °C). Como era de esperar, el rango de salida es bastante limitado; el error de salida supera 1 mV a 600 fA de corriente de prueba. Este nivel de corriente de prueba corresponde a un rango de tensión de salida de 60 mV.

El limitador de diodo ESD protegido (Figura 3) se evaluó con un diodo de salida 1N4148 de bajo coste (D₂). Una vez más, el rendimiento de este limitador protegido (curvas azules) se corresponde con el rendimiento de referencia a bajas corrientes de prueba. Los diodos ESD de baja fuga integrados en el amplificador del electrómetro son los responsables de este buen rendimiento. El 1N4148 simplemente proporciona la corriente de retorno. También se ha mejorado el rango dinámico, que requiere 2,5 pA de corriente de prueba antes de que el error supere 1 mV. Esto corresponde a un rango de salida de 250 mV, lo que supone una mejora de 4 veces.

La flexibilidad de este circuito se demostró sustituyendo el diodo de salida por un diodo Zener 1N5230. A bajas corrientes de prueba, este circuito funciona de forma idéntica al circuito básico (curvas verdes). El rango dinámico se amplía más allá del diodo estándar. Se necesitan 10 pA de corriente de prueba antes de que el error supere 1 mV. Esto representa un rango de salida de 1 V. Este circuito comienza a limitarse con corrientes Zener muy por debajo del 1mA especificado para alcanzar la tensión nominal de ruptura de 4,7V. Es conveniente hacer funcionar el diodo Zener a su tensión nominal de ruptura para conseguir el mayor rango dinámico con una sensibilidad a la temperatura reducida. Existen diodos Zener de menor corriente, como el 1N4624. También se puede aumentar la corriente de funcionamiento añadiendo una resistencia externa entre V_GUARDIA y la tierra de la señal. Una resistencia de 27Ω requerirá 1 mA de corriente Zener para dejar caer una tensión térmica a través de los diodos ESD.

En conclusión, las interfaces de los sensores de grado electrométrico suelen requerir circuitos limitadores de retroalimentación. Estos circuitos requieren diodos especializados que cuestan varios dólares cada uno. Estos diodos especializados pueden ser sustituidos por los diodos ESD de un amplificador electrométrico con una salida de búfer de protección como el ADA4530-1. Este enfoque crea un limitador de alto rendimiento que sólo requiere un componente externo que cuesta centavos por pieza.

Referencias

¹ADA4530-1. Dispositivos analógicos.