Измерение тока микроконтроллера, от 1мкА до 100 мА Опции

[kada]

Уважаемые коллеги.

Появилась необходимость измерения потребляемого тока микроконтроллеров для отладки спящих режимов.
Диапазон измеряемых токов от 1 мкА до 100 мА. Ток предполагается измерять непосредственно в разрыве между блокировочным конденсатором и выводом положительного питания микроконтроллера. Т.е. нужно отследить фронт изменения тока например от нескольких мкА до нескольких десятков мА и обратно. Полученный сигнал будет подаваться на АЦП микроконтроллера STM32F4 и передаваться на компьютер через USB. По возможности хотелось бы иметь полосу пропускания аналоговой части порядка 500кГц.

Был собран макет на основе трансимпендансного усилителя с переключаемыми токовыми шунтами: 10 Ом, 100 Ом, 1К, 10К и 100К. Для статичных нагрузок схема работает хорошо, но для быстроизменяемых (реальный случай измерения тока микроконтроллера) возникают большие пульсации измерительного напряжения в следствии постоянного переключения диапазонов. Для уменьшения пульсаций пришлось установить конденсатор 10 мкФ параллельно измеряемой цепи. Пульсации уменьшились, но соответственно возросла постоянная времени.

В связи с этим вопрос, существуют ли в природе какие либо решения для измерения быстроизменяющихся токов в таких больших пределах? Была идея использовать один единственный шунт 10 Ом. Но для микроампер понадобится усилитель с КУ порядка 10^6 и входным напряжением порядка микровольт.
Может есть какие то готовые решения? Думаю многие сталкивались с похожими задачами. Благодарю всех откликнувшихся.

[kada]

Конечно, это далеко не 500кГц. И 0.1мкф - далеко не всегда достаточная ёмкость. Особенно, если контроллер потребляет больше 15мА.
Кстати, какой максимум потребления Вы предполагаете? 100мА? Это о каких МК речь?

100 мА не предел. Например STM32F4 на частоте 168 МГц потребляет 102 мА. Это будет универсальный инструмент для отладки спящих режимов разных микроконтроллеров: AVR, STM8, STM32, NRF.

Однако с переключаемыми шунтами Вы же делаете то же самое - только ступенчато.
На шунте для 100 мА Вы не сможете замерить с точностью до 1 мкА (для того Вы их и переключаете).

Поэтому я переключусь на шунт 100К и замерю с точностью до 1 мкА. А как это сделать с помощью логарифмического усилителя (если быть точнее, то преобразователя) не совсем понятно.
Кстати, идея изображенная на последней схеме, по предварительным тестам работает. А в ней не нужно ничего переключать.

[Меджикивис]

На шунте для 100 мА Вы не сможете замерить с точностью до 1 мкА

Поэтому я переключусь на шунт 100К и замерю с точностью до 1 мкА.

А какое общее падение напряжения дадут 100 мА по 100 кОмам, ага
Микроампер можно замерить только в начале шкалы, на десятках-сотнях микроампер.

А как это сделать с помощью логарифмического усилителя (если быть точнее, то преобразователя) не совсем понятно.

А ничего и не надо "делать" - в начале шкалы он и сам меряет с большим Ku и отмечает микроамперы.
А по мере увеличения сигнала, Ku пропорционально снижается - так что относительная точность, то есть в процентах от измеренного тока, остается одной и той же.

Переключаемые шунты дают выигрыш только по шумам, так как измерение малых сигналов на том же сильноточном низкоомном шунте при большом Ku конечно подвержено помехам. Зато низкоомный шунт оказывает меньшее влияние на цепь.

Но это всё я так к слову; разъяснил только потому что Вы спросили. Делайте как Вам удобнее конечно.

[undefined]

Стартеркиты Energy Micro с J-Link-ом умеют мониторить потребление отлаживаемого устройства с построением реал-тайм графиков через свою прогу energyAware Profiler:

The Advanced Energy Monitor is capable of measuring currents in the range of 0.1uA to 50mA. For
currents above 250uA, the AEM is accurate within 0.1mA. When measuring currents below 250uA, the
accuracy increases to 1uA. Even though the absolute accuracy is 1uA in the sub 250uA range, the
AEM is able to detect changes in the current consumption as small as 100nA. The AEM produces 6250
current samples per second.

Схемотехника этого безобразия имеется в схематиках ихних стартеркитов, например в документе BRD2201A_A02_schematic.pdf
ЗЫ. Сам не пользовался, потому что к чему не в курсе.