| |
 Схема измерения малых токов, до 100 фА |
|
|
|
|
 Oct 31 2010, 13:36
|
Группа: Участник
Сообщений: 11
Регистрация: 26-10-10
Пользователь №: 60 417
|
Занимаюсь разработкой установки для исследования МДП-структур, требуется измерять постоянный ток от 100 до 2000 фА. По сути имеется высокоомный (порядка 1 ГОм) источник тока, дающий описанный выше диапазон токов. Пока предполагается подключать этот источник к инвертирующему входу ОУ, а в цепи обратной связи (выход - инвертирующий вход) вешать 1-10 МОм сопротивление. Неинвертирующий вход заземлять. С выхода ОУ сигнал будет идти на 24-разрядный АЦП (частота среза порядка 10Гц). Температурный режим работы порядка 0-30 °С. Интересует насколько подобная схема может шуметь и удастся ли за шумами разглядеть полезный сигнал, а также другие схемотехнические решения измерения малого постоянного тока.
|
|
|
|
|
|
2 страниц 
1 2 >
|
 |
Ответов
(1 - 23)
|
|
Oct 31 2010, 16:10
|
Гуру
Группа: Модераторы
Сообщений: 8 752
Регистрация: 6-01-06
Пользователь №: 12 883
|
Цитата(nananan @ Oct 31 2010, 16:36)  Занимаюсь разработкой установки для исследования МДП-структур, требуется измерять постоянный ток от 100 до 2000 фА. По сути имеется высокоомный (порядка 1 ГОм) источник тока, дающий описанный выше диапазон токов. Пока предполагается подключать этот источник к инвертирующему входу ОУ, а в цепи обратной связи (выход - инвертирующий вход) вешать 1-10 МОм сопротивление. Ну и сколько Вы получите на 10 мегаомах? От 1 до 20 микровольт. Если вспомнить смещение нуля, его дрейф и шумы, то будет смешно. Есть, конечно с нулевым дрейфом... Я вот сделала... На IVC102. Схема очень простая - на выходе оконный компаратор, который открывает ворота для прохода импульсов на счетчик. Точность была... точно уже не помню.. лучше десятой процента. Входной ток IVC102 порядка 30 фА, но он очень стабильный, поэтому можно было опуститься до аттоамперного диапазона. Прикинем. Емкость самого мелкого конденсатора порядка 10 пФ. Пусть диапазон интегрирования 5 вольт. Тогда время интегрирования будет 25 секунд при токе 2 пА. Плата на фторопласте ФАФ-4. Кольца, экраны....
|
|
|
|
|
|
|
|
Oct 31 2010, 16:55
|
Гуру
Группа: Модераторы
Сообщений: 8 752
Регистрация: 6-01-06
Пользователь №: 12 883
|
Цитата(zzzzzzzz @ Oct 31 2010, 19:30) А воздух-то откачивали? А то утренний бриз от Атлантики и чих соседа может подпортить измерения фА, не говоря уж про аА  Если воздух откачать, то может быть даже хуже. Воздух очень хороший изолятор. Ничего не откачивали, гелием не продували. Цитата(YIG @ Oct 31 2010, 19:36) Да уж, тут лучше всего перейти на переменное напряжение с окварцованной частотой (дабы полосовой фильтр применить): измерение - КЗ. Тогда все эти бяки не так сильно страшны! Тоже своего рода классика жанра...
Разумеется, всё в аргоне и на керамике или фторопласте!!! Был ( может, и делают еще? ) измеритель малых токов для хроматографии - для пламенно-ионизационного детектора. Там вибрирующий конденсатор стоял, куда текли измерительный и компенсирующий токи. Потом синхронный детектор и усилитель довольно высоковольтный, выход которого через резистор давал компенсирующий ток. Ничего там особенного не было... Только вход конденсатора через кусочек янтаря... Резисторы большие такие в стекле на тефлоне.
|
|
|
|
|
|
|
|
Nov 1 2010, 13:20
|
Группа: Участник
Сообщений: 11
Регистрация: 26-10-10
Пользователь №: 60 417
|
Цитата(vvs157 @ Oct 31 2010, 17:56) Найдите где-нибудь В7-30. Сэкономите много времени.
Из новых - В7-45, В7-49, В7-57 К сожалению в хедпосте я не уточнил, что это установка должна быть мобильной и миниатюрной, ибо это одно из условий дипломной работы. Подобные агрегаты в лаборатории имеются. Цитата(Tanya) Ну и сколько Вы получите на 10 мегаомах?
От 1 до 20 микровольт. Если вспомнить смещение нуля, его дрейф и шумы, то будет смешно. Есть, конечно с нулевым дрейфом...
Я вот сделала... На IVC102. Схема очень простая - на выходе оконный компаратор, который открывает ворота для прохода импульсов на счетчик. Точность была... точно уже не помню.. лучше десятой процента. Входной ток IVC102 порядка 30 фА, но он очень стабильный, поэтому можно было опуститься до аттоамперного диапазона.
Прикинем. Емкость самого мелкого конденсатора порядка 10 пФ. Пусть диапазон интегрирования 5 вольт. Тогда время интегрирования будет 25 секунд при токе 2 пА.
Плата на фторопласте ФАФ-4. Кольца, экраны.... С 10 МОм я конечно погорячился, вероятно придется брать под 1ГОм (тогда примерно 100 мкВ - 2мВ). На счет IVC102 - там в даташите указывается довольно сильное колебание входного тока от температуры. На моем температурном диапазоне порядка 30 - 100 фА, то есть порядка 30 - 100 мкВ. Вы делали термоизоляцию платы или образцы микросхем давали бОльшую стабильность, чем описано в даташите? Вариант с IVC102 интересный, но мне бы лучше использовать преобразователь ток-напряжение, ибо уже имеется ацп с разрешением с учетом шумов порядка 1 мкВ и не хочется усложнять схему. Посмотрел предложенные ОУ и накопал вот такой вариант: LMP7721. Там входной ток порядка 3 фА и напряжение смещения порядка 150 мкВ. Ток входной дрейфует несильно. Напряжение смещения порядка 1.5 мкВ/°С. Проблема только в температурной стабильности на небольшой период времени. Плата будет помещаться в герметичный корпус и измерения будут проводится в комнатных условиях. Мне кажется, что сильного дрейфа температурных параметров в отрезок 5-10 мин. в таких условиях быть не должно. Из всех шумов я так понимаю будет преобладать шум 1ГОм резистора. В связи с этим возникает вопрос: где можно приобрести или из чего изготовить хорошее сопротивление подобного номинала.
|
|
|
|
|
|
|
|
Nov 1 2010, 15:14
|
Гуру
Группа: Модераторы
Сообщений: 8 752
Регистрация: 6-01-06
Пользователь №: 12 883
|
Цитата(nananan @ Nov 1 2010, 16:20) С 10 МОм я конечно погорячился, вероятно придется брать под 1ГОм (тогда примерно 100 мкВ - 2мВ). На счет IVC102 - там в даташите указывается довольно сильное колебание входного тока от температуры. На моем температурном диапазоне порядка 30 - 100 фА, то есть порядка 30 - 100 мкВ. Вы делали термоизоляцию платы или образцы микросхем давали бОльшую стабильность, чем описано в даташите? Вариант с IVC102 интересный, но мне бы лучше использовать преобразователь ток-напряжение, ибо уже имеется ацп с разрешением с учетом шумов порядка 1 мкВ и не хочется усложнять схему.
В связи с этим возникает вопрос: где можно приобрести или из чего изготовить хорошее сопротивление подобного номинала. Непонятно, откуда Ваши числа (30 - 100 мкВ). Тепловой активной стабилизации не было. Но медный массивный экран - неплохой пассивный стабилизатор температуры. Стабильность была на удивление замечательная. Лучше 1 фА. А кто Вам мешает интегрировать фиксированное время и потом на Ваш любимый АЦП? Есть еще почти такие же интеграторы с АЦП внутри - DDCXXX от того же производителя. С ними занимался совсем недавно Herz. В любом варианте самое важное - отмывка от утечек.
|
|
|
|
|
|
|
|
Dec 1 2010, 23:38
|
Частый гость
Группа: Участник
Сообщений: 169
Регистрация: 30-07-05
Из: Бюрлин
Пользователь №: 7 223
|
Я недавно сделал каскад на lmp7721 для фотодиода. Схемка простая Паял lmp7721 "на растяжках" Он как-бы висит в воздухе. Полоса с 1Гиг и 10пик около 15 Герц. Термальный шум на 1гиг преобладает и никуда не денешься. 15 микровольт rms. Но 100фА это на 1 гиге всего лишь 100мкВ, что на почти на один порядок больше чем шум. Позволяет детектировать 100фА на фотодиоде. Однополярное питание это минус, но общий для фотодиода и выхода сдвинут на 0.1В. Мерять конечно нужно дифф входом.
Если интересует фото, могу сфотографировать.
|
|
|
|
|
|
|
|
 Dec 7 2010, 14:33
|
Участник
Группа: Участник
Сообщений: 67
Регистрация: 7-12-09
Пользователь №: 54 109
|
Цитата(Rockstein @ Dec 2 2010, 02:38) Я недавно сделал каскад на lmp7721 для фотодиода. Схемка простая Паял lmp7721 "на растяжках" Он как-бы висит в воздухе. Полоса с 1Гиг и 10пик около 15 Герц. Термальный шум на 1гиг преобладает и никуда не денешься. 15 микровольт rms. Но 100фА это на 1 гиге всего лишь 100мкВ, что на почти на один порядок больше чем шум. Позволяет детектировать 100фА на фотодиоде. Однополярное питание это минус, но общий для фотодиода и выхода сдвинут на 0.1В. Мерять конечно нужно дифф входом.
Если интересует фото, могу сфотографировать. Будьте добры, помогите пожалуйста понять, вот в обратной связи резистор в 1 ГОм стоит. Что значит "на растяжках"? Может ли помочь Ваша находка, Rockstein, в преобразовании сигнала из диапазона (-2.5 вольт до +2.5 вольт, ток от 5 до 200 фА) в диапазон (0 Вольт, 0.48 Вольт, ток от 5 до 20 мкА)? То есть амплитуда уменьшается чуть больше, чем в 10 раз, а среднее значение должно быть смещено из 0 Вольт в +0.24 Вольта. Попытка использовать схему инструментального усилителя не удалась - не понятно, в какую точку подавать напряжение смещения (-2.5 Вольт или -0.24 Вольта)? из компьютерного журнала http://www.compeljournal.ru/enews/2009/1/7 за основу была взята схема (см. приложение), где в точку соединения резисторов Roc2 и R3 подключен выход стабилизатора опорного напряжения LM4040AIM3-2.50, то есть подано -2.5 Вольта. Номинал Rku был выбран 301 кОм, номиналы Roc1 и Roc2 - по 20 кОм, R1 и R3 - по 261 кОм, R2 и R4 - по 13 кОм Вопреки ожиданию, на выходе после подключения источника напряжения LM4040 не произошло смещения сигнала на 0.24 Вольта. В чём может быть ошибка-причина? Есть ли смысл заменять резисторы Roc1 и Roc2 на гигаомные с увеличением номинала Rku в тераомную область? Спасибо.
Сообщение отредактировал VVlad - Dec 7 2010, 14:43
Эскизы прикрепленных изображений
|
|
|
|
|
|
|
|
Dec 8 2010, 21:45
|
Частый гость
Группа: Участник
Сообщений: 169
Регистрация: 30-07-05
Из: Бюрлин
Пользователь №: 7 223
|
Цитата(VVlad @ Dec 7 2010, 18:33) Будьте добры, помогите пожалуйста понять, вот в обратной связи резистор в 1 ГОм стоит. Что значит "на растяжках"? На растяжках, имеется ввиду, что его ноги растянуты, а сам корпус висит в воздухе на ногах. Все высокоимпедансные цепи лучше пускать по воздуху. Это из-за токов утечки. Сам 1 Гом и операционник нужно тщательно протирать изопропанолом или метанолом, чтобы убрать жир и флюс. Думаю, что это все это вам объяснять не надо. Цитата Может ли помочь Ваша находка, Rockstein, в преобразовании сигнала из диапазона (-2.5 вольт до +2.5 вольт, ток от 5 до 200 фА) в диапазон (0 Вольт, 0.48 Вольт, ток от 5 до 20 мкА)?
То есть амплитуда уменьшается чуть больше, чем в 10 раз, а среднее значение должно быть смещено из 0 Вольт в +0.24 Вольта. Не понял про какую находку идет речь. Вообще-то тут тема об измерениях малых токов, а не о преобразовании сигнала. Из ваших слов нифига не ясно. Могу только догадываться, что у вас высокоимпедантный датчик который дает +/-2.5 и который вы хотите преобразовать в низкоимпедантый выход 0...0.48В. Я правильно вас понял? Как понимать ваш ток? Ток никчему, лучше импеданс. Если так, то какого фига вы берете ina333, у которого входной ток 200пА, в 1000 раз больше, чем вы допускаете. Цитата Попытка использовать схему инструментального усилителя не удалась - не понятно, в какую точку подавать напряжение смещения (-2.5 Вольт или -0.24 Вольта)? из компьютерного журнала http://www.compeljournal.ru/enews/2009/1/7 за основу была взята схема (см. приложение), где в точку соединения резисторов Roc2 и R3 подключен выход стабилизатора опорного напряжения LM4040AIM3-2.50, то есть подано -2.5 Вольта. Номинал Rku был выбран 301 кОм, номиналы Roc1 и Roc2 - по 20 кОм, R1 и R3 - по 261 кОм, R2 и R4 - по 13 кОм Вопреки ожиданию, на выходе после подключения источника напряжения LM4040 не произошло смещения сигнала на 0.24 Вольта. В чём может быть ошибка-причина? Есть ли смысл заменять резисторы Roc1 и Roc2 на гигаомные с увеличением номинала Rku в тераомную область Извиняюсь, но это полная ахинея. Вообще от начала и до конца неправильно. Короче... 1. У вас какой импеданс (выходной) датчика, чтобы ясно было откуда плясать. Если больше 100 Мегом, то забудьте все ваши инструментальные усилители. 2. У вас датчик привязан к массе или из +/-2.5В можно рассматривать как U+/-2.5В
|
|
|
|
|
|
|
|
Jan 31 2011, 06:56
|
Участник
Группа: Участник
Сообщений: 67
Регистрация: 7-12-09
Пользователь №: 54 109
|
Rockstein, спасибо за попытку помочь.
1) Выходным импедансом датчика точное значение указать трудно. Для различных электродов может различаться от 200 до 900 МОм.
2) Датчик привязан к средней точке виртуальной земли. Питание операционников двуполярное - 5 Вольт и +5 Вольт.
Вопрос я возможно не очень ясно изложил. Прошу извинения у важаемой публики. Готовый инструментальный усилитель не годится. Но почему не сделать на четырёхканальном ОУ типа LMC6084AIM? Там входной ток около 40 fА?
|
|
|
|
|
|
|
|
Jan 31 2011, 07:40
|
Частый гость
Группа: Участник
Сообщений: 169
Регистрация: 30-07-05
Из: Бюрлин
Пользователь №: 7 223
|
Цитата(VVlad @ Jan 31 2011, 09:56) Rockstein, спасибо за попытку помочь.
1) Выходным импедансом датчика точное значение указать трудно. Для различных электродов может различаться от 200 до 900 МОм.
2) Датчик привязан к средней точке виртуальной земли. Питание операционников двуполярное - 5 Вольт и +5 Вольт.
Вопрос я возможно не очень ясно изложил. Прошу извинения у важаемой публики. Готовый инструментальный усилитель не годится. Но почему не сделать на четырёхканальном ОУ типа LMC6084AIM? Там входной ток около 40 fА? Вам нужен хороший электометр. Указанный ток 5-200фА лежит в области токов утечки самых лучших электромеров. Так что сложновато будет. Возьмите LMP7721, у него всего +/-3 фА типично и 20 максимум. Посчитайте ошибку которая получится и с ней прийдется смириться. Лучшего электрометра все равно не найдете. У вас дифф-сигнал? зачем вы хотите 4-канальный ОУ, ваша схема постом выше для дифф сигнала. Вот типичная схема.
про защитные кольца и монтаж вы, я думаю, в курсе. Если у вас сигнал смещен относительно земли это можно сделать подав на Rg вместо земли нужный потенциал
Сообщение отредактировал Rockstein - Jan 31 2011, 07:44
|
|
|
|
|
|
|
|
Feb 14 2011, 09:55
|
unexpected token
Группа: Свой
Сообщений: 899
Регистрация: 31-08-06
Из: Мехелен, Брюссель
Пользователь №: 19 987
|
Цитата(nananan @ Oct 31 2010, 16:36) Занимаюсь разработкой установки для исследования МДП-структур, требуется измерять постоянный ток от 100 до 2000 фА. Интересует насколько подобная схема может шуметь и удастся ли за шумами разглядеть полезный сигнал, а также другие схемотехнические решения измерения малого постоянного тока. Забавно! Я несколько лет назад делал похожую работу в рамках диплома  У меня в задаче был миниатюрный измеритель параметров МДП-транзисторов с использованием метода зарядовой накачки (charge pumping) для определения Dit. А с какой целью вам надо в фемтоамперы опускаться? Для более точного измерения подпорогового участка передаточной х-ки? У меня требовалось измерять ток от 1 пА, что технически более реалистично. В моем приборе использовался обычный трансимпедансный преобразователь, о котором тут уже писали. В качестве ОУ выбрал один канал OPA2111, хотя есть варианты и получше с т.з. токов утечки по входу (AD549 как уже писали). В ОС ОУ на самом чувствительном диапазоне стоял резистор на 10 ГОм, шунтированный кондёром чтоб не "звенел". Кондер брал с малым током утечки, малой температурной зависимостью емкости и адсорбционными токам: полистирол, хотя сгодится и фторопласт. Диапазоны переключались мельтиплекcой ADG438, у которой токи утечки в закрытом состоянии много меньше 1 пА (по крайней мере, мне попались такие образцы, которые я заране протестировал на калиброванном электрометре).  Извините за качество картинки - спринтскринил с ворда пкадовский принтскрин. Есть альтернативный вариант. Попробуйте ОУ в схеме интегратора тока (соответственно, результатом интегрирования у вас будет заряд). Возможно, для вас такая схема будет удобнее. Можно собрать на тех же аналоговых мультиплексорах и хорошем ОУ, а можно взять готовый интегратор, например ACF2101 от TI (только у этого ток утечки довольно большой ~ 10 пА), посмотрите у AD и TI, наверняка есть подходящие. Вдогонку. Мой электрометр на OPA2111 и ADG438 тоже был собран "на весу" как и у Rockstein и располагался в прорези в печатной плате.
Сообщение отредактировал alexunder - Feb 14 2011, 11:55
--------------------
А у тебя SQUID, и значит, мы умрем.
|
|
|
|
|
|
|
|
Feb 15 2011, 07:29
|
Частый гость
Группа: Участник
Сообщений: 169
Регистрация: 30-07-05
Из: Бюрлин
Пользователь №: 7 223
|
Цитата(alexunder @ Feb 14 2011, 12:55) В моем приборе использовался обычный трансимпедансный преобразователь, о котором тут уже писали. В качестве ОУ выбрал один канал OPA2111, хотя есть варианты и получше с т.з. токов утечки по входу (AD549 как уже писали). В ОС ОУ на самом чувствительном диапазоне стоял резистор на 10 ГОм, шунтированный кондёром чтоб не "звенел". Кондер брал с малым током утечки, малой температурной зависимостью емкости и адсорбционными токам: полистирол, хотя сгодится и фторопласт. Диапазоны переключались мельтиплекcой ADG438, у которой токи утечки в закрытом состоянии много меньше 1 пА (по крайней мере, мне попались такие образцы, которые я заране протестировал на калиброванном электрометре). Извините за качество картинки - спринтскринил с ворда пкадовский принтскрин. Вдогонку. Мой электрометр на OPA2111 и ADG438 тоже был собран "на весу" как и у Rockstein и располагался в прорези в печатной плате. А почему вы мультиплексор поставили перед сопротивлениями ос. Ведь с точки зрения токов утечки лучше это хуже. Я имею ввиду вариант, когда на инвертвход идет сначала сопротивления ос, а потом за ним мультиплексор. Интерессно, как у вас получилось с 10Гом в ос побороть токи утечки мультиплексора в несколько десятков пикоампер? Может вы имели ввиду 10Мом?
Сообщение отредактировал Rockstein - Feb 15 2011, 07:33
|
|
|
|
|
|
|
|
Feb 15 2011, 08:56
|
unexpected token
Группа: Свой
Сообщений: 899
Регистрация: 31-08-06
Из: Мехелен, Брюссель
Пользователь №: 19 987
|
Цитата(Rockstein @ Feb 15 2011, 10:29) А почему вы мультиплексор поставили перед сопротивлениями ос. Ведь с точки зрения токов утечки лучше это хуже. Я имею ввиду вариант, когда на инвертвход идет сначала сопротивления ос, а потом за ним мультиплексор. Согласен, это хуже. Схема из студенческой работы, со всеми вытекающими  К сожалению, даже конденсаторы по питанию ОУ не нарисованы. Цитата(Rockstein @ Feb 15 2011, 10:29) Интерессно, как у вас получилось с 10Гом в ос побороть токи утечки мультиплексора в несколько десятков пикоампер? Может вы имели ввиду 10Мом? речь идет о 10 ГОм. Токи утечки мультиплексоров использованных в данной работе, как я уже писал, меньше 1 пА. Данное обстоятельство проверялось на электрометре.
Сообщение отредактировал alexunder - Feb 15 2011, 09:32
--------------------
А у тебя SQUID, и значит, мы умрем.
|
|
|
|
|
|
1 чел. читают эту тему (гостей: 1, скрытых пользователей: 0)
Пользователей: 0
|
|
|
