Как сделать входное сопротивление 1 ГОм?, Аналоговые вопросы Опции

[hwdev]

Требвется на входе АЦП сделать входное сопротивление 1 ГОм. Как это сделать? Можно использовать любую схемотехнику.

[NewMaestro]

Требвется на входе АЦП сделать входное сопротивление 1 ГОм. Как это сделать? Можно использовать любую схемотехнику.

Начали 1 Гигаомом, закончили Найквистом... :-)

Такое высокое входное сопротивления в измерительных цепях используется в тех случаях, когда выходное сопротивление источника сигнала большое. Например, при измерениях с резистивных датчиков, мостов и т.д.

Есть такое понятие в аналоговой электронике как электрометрический измерительный усилитель с развязкой от общей шины.

Вот он:




Такая схемка может обеспечить высокий коеффициент усиления входной импеданс порядка нескольких ГОм.

Можно собрать из нескольких прецизионных ОУ, а можно взять готовые. Например INA118 от Texas Instruments. Есть аналогичные вещи у Analog Devices. У таких микрушек коэффициент усиления будет подбираться одним резистором :-) Иногда на входе бывает защита от электростатики.
Ценник естественно повыше чем у отдельных ОУ.

[Herz]

Начали 1 Гигаомом, закончили Найквистом... :-)

Такое высокое входное сопротивления в измерительных цепях используется в тех случаях, когда выходное сопротивление источника сигнала большое. Например, при измерениях с резистивных датчиков, мостов и т.д.

Есть такое понятие в аналоговой электронике как электрометрический измерительный усилитель с развязкой от общей шины.

Вот он:




Такая схемка может обеспечить высокий коеффициент усиления входной импеданс порядка нескольких ГОм.

Можно собрать из нескольких прецизионных ОУ, а можно взять готовые. Например INA118 от Texas Instruments. Есть аналогичные вещи у Analog Devices. У таких микрушек коэффициент усиления будет подбираться одним резистором :-) Иногда на входе бывает защита от электростатики.
Ценник естественно повыше чем у отдельных ОУ.

Вы, похоже, спутали понятия. То, что Вы привели в качестве иллюстрации, называется инструментальным усилителем, электрометрический же - это просто усилитель с очень низким входным током. Такой, например, как ОРА128, OPA129. В свою очередь, инструментальный может быть построен с применением электрометрических, как это и рекомендуется в DS на тот же 128-ой. А "готовый" INA118 - это как раз классический инструментальный, но не электрометрический усилитель.

[NewMaestro]

Вы, похоже, спутали понятия. То, что Вы привели в качестве иллюстрации, называется инструментальным усилителем, электрометрический же - это просто усилитель с очень низким входным током.

Эти понятия я как раз не перепутал и они, кстати, друг другу не противоречат.

Во первых слово инструментальный перекочевало в инженерный русский язык не так давно. Аналоговые деды до сих пор многие не знают этого слова. Скажем, так, литературно это слово и переводится как "измерительный".

То что на английском языке называется "Instrumentation Amplifier", на русском в классике называется "Измерительный усилитель".

А что касается слова "'электрометрический", то оно применяется в русском языке очень-очень давно. Думаю, что еще до появления OPA128.
Видимо, просто понятие "низкий входной ток" в разные времена подразумевало различные численные значения.
Вот по вашему низкий входной ток - это ниже чем сколько?

Если измерительный усилитель, приведенный на схеме имеет импеданс, например, 10 ГОм, то при 5 вольтах на входе входной ток составит 500 пА. Это низкий или высокий ток?? Достаточно такого значения, чтобы назвать усилитель электрометрическим??

10ГОм - как раз такой импеданс имеет INA118.

А вообще импеданс такой схемы определяется в основном K и Rвх.диф. примененных усилителей.
При довольно обычных параметрах K=10e5 и Rвх.диф=1 МОм отдельных ОУ, импеданс результирующего измерительного усилителя получится исключительно высоким - в районе 70 ГОм. (!) Т.е. при тех же 5В входной той ток будет около 70pA. Теперь достаточно?

А если применить прицезионные ОУ от AD OP177 (Kmin=2*10e6; Rвх.дифф.min=45 МОм), в даташите на которые нет слова "'электрометрический", то результат, чисто теоретически, будет еще в 1000 раз лучше. Хотя, тут не знаю, но предполагаю, что импеданса в десятки ТераОм не получится достигунть по каким-нибудь другим (паразитным) причинам. Утечки наверняка будут выше на 1-2 порядка. Но теоретическая цифра для входного тока измерительного усилителя, собранного на OP177, посчитаная мной на основании умных книжек, находится в пределах 2-2.5 * 10e-21 А, т.е. ЗептоАмеры.

Кстати, я не с потолка этот термин взял. Слово "электрометрический" применялось к данной схеме измерительного усилителя доцентом, который меня в иснтитуте учил. :-)

[=AK=]

Эти понятия я как раз не перепутал и они, кстати, друг другу не противоречат.

Согласен, что не противоречат. Электрометрический усилитель может быть инструментальным. А может и не быть инструментальным. Вполне ортогональные понятия.

Инструментальный усилитель - это прежде всего точный усилитель, погрешности которого малы для решаемой задачи. Электрометрический усилитель - это прежде всего усилитель с малыми входными токами (включая токи утечки).

Если измерительный усилитель, приведенный на схеме имеет импеданс, например, 10 ГОм, то при 5 вольтах на входе входной ток составит 500 пА.

Импеданс как правило измеряется на переменном токе, часто - на частоте 1 кГц. Это специально делается для того, чтобы исключить токи утечки и токи смещения входных каскадов.

А вообще импеданс такой схемы определяется в основном K и Rвх.диф. примененных усилителей.
При довольно обычных параметрах K=10e5 и Rвх.диф=1 МОм отдельных ОУ, импеданс результирующего измерительного усилителя получится исключительно высоким - в районе 70 ГОм. (!) Т.е. при тех же 5В входной той ток будет около 70pA. Теперь достаточно?

Нет, недостаточно.
Ток смещения, который требуется входному транзистору, остается неизменным при любой глубине обратной связи. Поэтому, несмотря на высокий входной импеданс, усилитель с биполярными входными транзисторами будет непригоден для применения в качестве электрометрического. Хотя в качестве инструментального будет прекрасно работать в большинстве применений.

Кстати, я не с потолка этот термин взял. Слово "электрометрический" применялось к данной схеме измерительного усилителя доцентом, который меня в иснтитуте учил. :-)

Это не диво. Среди доцентов много халявщиков, наплевательски относящихся к использованию терминов и весьма посредственно разбирающихся в предмете.

[NewMaestro]

Импеданс как правило измеряется на переменном токе, часто - на частоте 1 кГц. Это специально делается для того, чтобы исключить токи утечки и токи смещения входных каскадов.

И для того чтобы учесть паразитную емкость?? :-)
Не буду спорить. Не знаю точного ответа.
Может быть кто-то измеряет на 1кГц, в том числе и Вы, а Texas Intsruments похоже нет. По крайней мере в документе Understanding Op Amp Parameters (sloa083) про переменный ток ничего не сказано.

Ток смещения, который требуется входному транзистору, остается неизменным при любой глубине обратной связи.

Логично.

Поэтому, несмотря на высокий входной импеданс, усилитель с биполярными входными транзисторами будет непригоден для применения в качестве электрометрического. Хотя в качестве инструментального будет прекрасно работать в большинстве применений.

Чего-то я наверное не догоняю.
"будет непригоден для применения в качестве электрометрического" - т.е. пустит по своим входам недопустимо большие токи. Да?
"Хотя в качестве инструментального будет прекрасно работать в большинстве применений" - т.е. обеспечит высокую точность. Так?

Что-то здесь не совсем то во втором пункте. Я понимаю так, если при измерении сигнала с высокоомного источника ток смещения входных каскадов оказался недопустимо большим, то и о точности уже говорить не придется, так как в сигнале появится ошибка.
Т.е. выходит, в таком случае, усилитель не только не электрометрический, но и не инструментальный уже.

Скажу честно, до сегодняшего дня я думал, что измерительным (инструментальным) называется не тот усилитель, который точно меряет, а тот, который оказывает пренебрежимо малое влияние на источник сигнала, т.е. усилитель с очень большим входным импедансом. Вопрос точности - это дело второе. Точность обсуждаемого измерительного (инструментального) усилителя зависит от того на каких ОУ он построен. По моим понятиям характеристикой точности ОУ является Uoffest т.н. напряжение смещения. Если взять прецизионные ОУ с Uсм несколько десятков мкВ, то и инструментальный в итоге получится точным. А если взять стандартные ОУ с Uсм, например, 5мв, то и инструментальный по точности получится так себе... Но при этом импеданс его все равно будет исключительно большим. Между импедансом и точностью, в общем-то, прямой связи нет.

Вообще логично, конечно, что даже при имедансе измерительного (инструментального) усилителя в десятки ГОм (это ведь диф.импеданс) входным каскадам необходимо начальное смещение. И, очевидно, что чем оно меньше, тем меньше ошибка.

Созрел впопрос: Представим, что ко входу измерительного ( инструментального) усилителя подключили, например резистивный мост, цепи питания которого гальванически развязаны от цепей питания усилителя. Диф. импеданс десятки ГОм. Следовательно диф. ток будет мизерным, а тока смещения во входных каскадах не будет вообще. Откуда ему взяться?
Получается, что такая схема просто не будет работать (или будет работать не корректно) пока дополнительными цепями начальное смещение не создать?? Верно? Что думаете об этом?

После всех дискуссий интересно все-таки понять истинный смысл слова "электрометрический". Понятно, что входные токи низкие. Но насколько низкие? Можно, конечно, не заморачиваться на этом и просто поверить словам "electrometer-grade" в даташите на OPA128. А если этих слов нет, то усилитель не считать электрометрическим.
Это как с прецизионными... Советские с Uсм < 1мВ, производимые многие годы, всю жизнь считались прецизионными. А если сравнить их с теми, которые AD, TI, MAXIM и прочие в последние годы позиционируют как прецизионные, то разница существенна. Все относительно.

И если колличественной классификации все-таки нет, то вполне можно допустить, что N лет назад усилители с входным током, например, 1нА считались очень даже электрометрическими

Это не диво. Среди доцентов много халявщиков, наплевательски относящихся к использованию терминов и весьма посредственно разбирающихся в предмете.

Это не тот случай. Человек достаточно авторитетный, советской закалки. Всю жизнь проработал в области аналоговой микросхемотехники. А искажать терминологию - это больше присуще молодым специалистам.

[=AK=]

И для того чтобы учесть паразитную емкость??

Вообще-то слово "импеданс" подразумевает наличие реактивной составляющей. Если ее нет, то обычно используется слово "сопротивление".

Может быть кто-то измеряет на 1кГц, в том числе и Вы, а Texas Intsruments похоже нет. По крайней мере в документе Understanding Op Amp Parameters (sloa083) про переменный ток ничего не сказано.

Лень смотреть, но наверняка там сказано про то, что измеряется не статическое U/I, а дифференциальное dU/dI.

"будет непригоден для применения в качестве электрометрического" - т.е. пустит по своим входам недопустимо большие токи. Да?
"Хотя в качестве инструментального будет прекрасно работать в большинстве применений" - т.е. обеспечит высокую точность. Так?

Да

Что-то здесь не совсем то во втором пункте. Я понимаю так, если при измерении сигнала с высокоомного источника ток смещения входных каскадов оказался недопустимо большим, то и о точности уже говорить не придется, так как в сигнале появится ошибка.
Т.е. выходит, в таком случае, усилитель не только не электрометрический, но и не инструментальный уже.

Высокоомный источник - это совершенно нетипично для инструментального усилителя. Практически всегда инструментальный усилитель получает сигнал от низкоомного источника. Высокое входное ему нужно для того, чтобы дополнительные погрешности (за счет сопротивления проводов и т.п.) оказались настолько малы, что их можно будет не учитывать.

По моим понятиям характеристикой точности ОУ является Uoffest т.н. напряжение смещения.

Одной из.

Если взять прецизионные ОУ с Uсм несколько десятков мкВ, то и инструментальный в итоге получится точным. А если взять стандартные ОУ с Uсм, например, 5мв, то и инструментальный по точности получится так себе...

Странные у вас понятия. Если эти 5мВ стабильны, не зависят от температуры и не дрейфуют, то после однократной калибровки усилитель может оказаться точнее, чем на ОУ со смещением в десятки микровольт.

[NewMaestro]

Вообще-то слово "импеданс" подразумевает наличие реактивной составляющей. Если ее нет, то обычно используется слово "сопротивление".

А там, кстати, так и написанно - Input Resistance. И в даташитах, на моей памяти, так пишут. Так что это наверное слово "импеданс" мы с Вами не к месту применяли.

Высокоомный источник - это совершенно нетипично для инструментального усилителя. Практически всегда инструментальный усилитель получает сигнал от низкоомного источника. Высокое входное ему нужно для того, чтобы дополнительные погрешности (за счет сопротивления проводов и т.п.) оказались настолько малы, что их можно будет не учитывать.

Тоже правда. Я с Вами согласился, что для высокоомного источника нужно еще и Ibias как можно ниже.

Странные у вас понятия. Если эти 5мВ стабильны, не зависят от температуры и не дрейфуют, то после однократной калибровки усилитель может оказаться точнее, чем на ОУ со смещением в десятки микровольт.

А вот об этом я не в курсе. Я знал, что с резисторами так. Если он 5%, но не дрейфует, то его можно применять как очень точный, зная, естественно, его реальное сопротивление.
А вот с ОУ, сказать честно, мне казалось, несколько иная ситуация. Если у него Uсм = 5мв, то при подаче на вход, например, 100мкВ, выход даже не сдвинется с места. Разве я не правильно говорю.
Проясните, если что не так.