Логарифмический преобразователь на 2-х транзисторах, Как упростить и удешевить схему, если имеется МК с АЦП и ЦАП? Опции

[scifi]

Уважаемые знатоки!
Хочется сделать измеритель фототока с диапазоном приблизительно от 10 нА до 1 мА. Для этой цели есть логарифмические преобразователи типа LOG101, но у них кусачая цена (порядка 10$).
Поскольку в схеме всё равно присутствует микроконтроллер с АЦП и ЦАП, есть подозрение, что можно применить недорогую пару транзисторов (matched pair) с несложным включением, а вычисления (температурная компенсация и прочее) сделать в программе. Вот только как это всё правильно рассчитать, да ещё оценить погрешность получившегося измерителя?

[Petr_I]

Тут неплохо бы определиться логарифмировать или измерять.

Если логарифмировать - схема есть в даташите. По ней можно и собрать. Пары транзисторов - не проблема.
Вменяемую погрешность и температурную стабильность во всем динамическом диапазоне получить не получится.

Если измерять - трансимпедансный усилитель или интегратор со сбросом с переключаемым диапазоном.
С погрешностями там тоже не очень просто, особенно при 10на, но решаемо.

[scifi]

На самом деле измерять. Требования по погрешности умеренные: около +/-0.3 дБ в большей части диапазона, а при самых малых токах можно +/- 1 дБ.
Подскажите, в какую сторону посмотреть для примеров трансимпедансных усилителей. Предчувствую проблемы с током утечки переключателя. Возможно, нужен JFET?

[Tanya]

Уважаемые знатоки!
Хочется сделать измеритель фототока с диапазоном приблизительно от 10 нА до 1 мА.

С какой скоростью?
И поточнее скажите желаемое разрешение.

[scifi]

С какой скоростью?
И поточнее скажите желаемое разрешение.

Скорость умеренная: скажем, 5 отсчётов в секунду. Сигнал практически постоянный, на протяжении 0,2 сек. практически не меняется. Разрешение около 0,1 дБ (то есть около 2,5% по фототоку).

[Petr_I]

На самом деле измерять. Требования по погрешности умеренные: около +/-0.3 дБ в большей части диапазона, а при самых малых токах можно +/- 1 дБ.
Подскажите, в какую сторону посмотреть для примеров трансимпедансных усилителей. Предчувствую проблемы с током утечки переключателя. Возможно, нужен JFET?

В каких единицах вы собираетесь мерить фототок? Дб - относительные единицы. +/-0.3 дБ относительно какой величины. Какая погрешность задана относительная или абсолютная?
По поводу трансимпедансных усилителей поищите в конфе где то уже обсуждалось с примерами.

[scifi]

В каких единицах вы собираетесь мерить фототок? Дб - относительные единицы. +/-0.3 дБ относительно какой величины. Какая погрешность задана относительная или абсолютная?

Децибелы возникли из-за того, что уровень оптической мощности измеряется в дБм (децибелы от милливатта). Соответственно, 1 дБ - это 26% по фототоку.

Кстати, возникла такая идея: сделать накопление заряда на ёмкости, а время накопления изменять при помощи МК. Если время менять в диапазоне от 1 мкс до 0,1 с (что вполне реально), то получается динамический диапазон как раз на 5 порядков.
Покритикуйте идею, пожалуйста.

[Tanya]

Скорость умеренная: скажем, 5 отсчётов в секунду. Сигнал практически постоянный, на протяжении 0,2 сек. практически не меняется. Разрешение около 0,1 дБ (то есть около 2,5% по фототоку).

Допустим, что имеем интегратор со сбросом. Тогда с 50 МГц кварцем мы для точности 2.5% должны иметь время заряда 1 (грубо) микросекунду. Пусть это будет 1 мА. Получается, что не меняя конденсатор, за время 200 миллисекунд мы можем измерить ток 5 нА. А если измерять при малых токах напряжение на выходе интегратора посредством микроконтроллерного АЦП, то еще глаже получится.

[DS]

Еще можно резисторы с ключами в обратной связи использовать и подключать параллельно, например 1 Мом, 100 Ком, 10 Ком, 1 Ком, пока зашкал АЦП не прекратиться.

[Petr_I]

Кстати, возникла такая идея: сделать накопление заряда на ёмкости, а время накопления изменять при помощи МК. Если время менять в диапазоне от 1 мкс до 0,1 с (что вполне реально), то получается динамический диапазон как раз на 5 порядков.
Покритикуйте идею, пожалуйста.

Это и будет интегратор со сбросом. Лично я сторонник именно такого метода. Основной плюс - уменьшение шумов за счет интегрирования по времени.

[DS]

Интегрировать и в микроконтроллере можно, это одно и то же. У схемы с конденсатором есть минус, что тепловой шум переползает в 1/f.

[Petr_I]

Интегрировать и в микроконтроллере можно, это одно и то же. У схемы с конденсатором есть минус, что тепловой шум переползает в 1/f.

Согласен, спасибо эргодической гипотезе.
Только после интегрирования в микроконтроллере шум так же "переползет в 1/f" и это связано со спектром шума. Так как основным источником шума в обоих случаях будут фотодиод и входной каскад ОУ, то разницы в спектре не будет, а когда и где его проинтегрируют это вопрос второй.
Какой интегратор аналоговый или цифровой лучше - это по обстоятельствам, в данном случае без разницы.
Но на интеграторе ИМХО проще сделать изменение диапазонов измерения.

[scifi]

Родилась вот такая схема (эскизно). В качестве диода подходит BAS116. Подскажите, что может служить ключами?

Эскизы прикрепленных изображений

 

[Petr_I]

Родилась вот такая схема (эскизно). В качестве диода подходит BAS116. Подскажите, что может служить ключами?

Основной недостаток Вашей схемы - нелинейность. Напряжение на фотодиоде будет зависеть от напряжения на конденсаторе.
Посмотрите в учебниках типовую схему интегратора на ОУ.
Ключи, например, ADG611.

[scifi]

Основной недостаток Вашей схемы - нелинейность. Напряжение на фотодиоде будет зависеть от напряжения на конденсаторе.

Не проблема. У меня фототок не зависит от смещения фотодиода в широком диапазоне напряжений смещения.
Могу даже сделать управление напряжением смещения: считается, что для измерения очень малых токов его нужно уменьшать, чтобы уменьшить темновой ток. Но это отдельная тема.

Ключи, например, ADG611.

Я надеялся, что есть что-то подешевле. Какой-нибудь простенький JFET.

Update:
Кажется, придумал. Вместо ключей на землю сделать отвод через диоды на выходы МК. Ёмкость полностью разряжать не обязательно, так как можем измерить напряжение на ней до интегрирования и после.
Всем спасибо!