Доброго времени суток.

Я использую преобразователь тока в напряжение на операционном усилителе (OPA129) и резистором ОС на 100МОм напряжение питания +/-12В. Этот преобразователь используеться в сканирующем туннельном микроскопе.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Проблема в том что на выходе значения напряжения скачут от -12 до +12, даже когда значение входного тока практически постоянно.
С чем это может быть связано?

А что на входе?
1. Что на выходе, если вход отключить полностью (прямо возле операционника).
2. Поставить временно на 1килоом или около.
3. Шунтировать резистор конденсатором.
4. Чем плату мыли, сушили, паяли?

ИМХО, у вас на входе какая-то помеха.

На входе значения тока порядка 1нА
Плату собирались помыть в оцетоне в ультразвуковой ванночке, но руки не дошли - это будет сильно влиять на качество преобразования?

Какой емкостью лучше шунтировать?

Самодельная плата?
Охранные кольца есть?
Плату нужно мыть.
Ничем не нужно шунтировать.
Как устроен резистор в обратной связи?
Есть ли экран?

Если длинный провод прикручен прямо к входу операционника, то этот длинный провод будет выполнять роль конденсатора, и там будет совсем не 1нА. Поставте несколько RC фильтров на входе. У вас допустимо, если падения напряжения будет к примеру 1 вольт? Или, еще лучше, где у вас этот операционник стоит? Я бы его прямо на провода что из вакуумной камеры торчат повесил. Как можно ближе к сканирующему электроду.


Лучше не в ацетоне. В прочем возмите тестер, поставте на мегаомы, опустите в растворитель щупы. Если что-то будет показывать, я бы не мыл. Я думаю что лучше всего купить бензин "Галоша", или может уайт-спирт.


любой NP0 ИМХО можно. Если у него будет утечка, это можно будет заметить позже.

Смотрели?
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/opa129.pdf

Плата самодельная, разведена в соответствии с даташитом на микросхему, провод по которому подаеться входной сигнал экранирован, сам преобразователь помещен в стальной корпус. Резистор в обратной связи состояит из шести резиторов на 15МОм.

Как экранирован, куда подключен экран, где именно эта микросхемма находится? Сфотографировать можете?

Все же, отключать входной провод пробовали? Если на выходе станет 0, или близко, значит как миниумм мыть плату не нужно.

Предусилитель в корпусе
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Сам девайс
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Плата крупным планом
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

А какой кабель? Куда экран припаян? Резисторов не видно.
Скорее всего - наводка на них.
Утечка - она бы в одну сторону была бы...
Но мыть надо. Спирт (этиловый) + ацетон + гептан. Потом в парах парить...
Паяли-то хоть без кислоты?
Самое чувствительное место -вход. Если резисторы выводные (не видно), то на ближайший можно надеть экран.

резисторы с обратной стороны на плате, провод в оплетке из аудиокабеля, он заводиться в маленькое отверстие в коробке в которой расположен сам преобразователь

какие значения должны быть на выходе, если на вход ничего не подключено?

на выходе, должно быть 0. ИМХО у вас не првильно заземленеи и экранирование сделано.

каким образом в данной ситуации можно реализовать гальваническую развязку (использовать вторую землю?) ?

Экран должен соединяться только в одной точке - на охранное кольцо.
Если хочется, то можно еще второй экран поверх первого, который уже в другом месте землится.
Попробуйте совсем отпаять кабель... Вход идет прямо на кабель без резистора?
Закоротите часть резисторов в обратной связи и посмотрите на выходе осциллографом.

вход идет сразу на кабель (средняя жила), а оплетка идет на кольцо и на общую землю

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

А кто Вам насоветовал такой резистор ставить для усилителя туннельного микросокпа ?

Там как-никак нужно достаточно высокое быстродействие. А у такого усилителя будет совершенно невообразимая частотная характеристика, которая к тому же будет от погоды зависеть.

Ставьте в обратную связь не более 10 Мом и потом усиливайте. Еще момент - при подаче сигнала на вход с помощью экранированного кабеля Вы усиливаете шумы ОУ в 150 Мом/Zc кабеля раз. Смело возьмусь утверждать, что с такими шумами игла будет сносить поверхность на раз.

Да и по быстродействию Вы какое-то странное решение приняли.

можно детальней про быстродействие?

Да вот как-то не видел я раньше в таких местах ОУ с полосой единичного усиления в 1 Мгц.

а что Вы тогда посоветуете?

Для этого надо знать параметры Вашей системы стабилизации туннельного тока.

высота иглы над образцом регулируеться пьезоэлементом по заданному значению туннельного тока, управляющее напряжение которого генерируеться посредством величины ошибки между входным (усиленным туннельным током) и заданным током. Логика организована на ОУ TL064N

Это то понятно, а числовые параметры какие ? Полоса, усиление, тип регулятора, его параметры ?

за основной критерий мы брали коэффициент усиления в преобразователе порядка 10^9, но видно это не самый главный критерий?

Нарисовал.

Если коротко красное - медь. Экран, оплетка итд. Чем короче кабель, тем лучше. Если кабеля не будет, вообще замечательно.
Про быстродействие, тут все просто - чем больше усиление тем меньше быстродействие. Для операционников даже параметр есть - частота единичного усиления.


Откуда? С потолка? У вас какая скорость сканирования ожидается?

величина туннельного тока, как не крути а достигает знаечения в несколько наноампер в лучшем случае, в худшем может быть пробой между иглой и образцом. Частота сканирования не должна быть очень высокой, поскольку будут возникать шумы из-за быстрого перемещения иголки над образцом, поэтому ее величина не превышает 10кГц

10 Кгц это что ?

Скорость механического сканирования может и не должна быть высокой, хотя при низкой скорости у Вас может расплыться изображение. А вот быстродействие петли стабилизации туннельного тока должно быть высоким, поскольку он растет по экспоненте от смещения - сильно проскакивать нельзя, пробъет. Вот это быстродействие меня и интересует. Какая предполагается рабочая полоса петли регулирования ?

Игла переместилась получили значение тока (опрашиваем мы несколько раз потом усредняем полученное значение) и переезжаем в следующую точку, частота таких вот переездов не превышает 10кГц, даже и 1кГц

А чем Вы положение иглы стабилизируете относительно поверхности ? Или просто забыли про это ?

незабыли, изменением напряжения на пьезоэлементах для поддержания постоянного значения тока


схема изменения напряжения на пьезо в зависимости от величины разницы установленного и полученного значений

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Раз есть обратная связь - Вам совсем не надо измерять туннельный ток (При правильной работе он должен быть постоянным), а надо измерять смещение иглы (выход регулятора).
Сразу видно, чо регулятор у Вас без пропорционального звена - система будет принципиально неустойчивой. Соотвественно, игла будет с приличной силой врубаться в поверхность, потом далеко отводиться, ток будет начинать тесь совсем с другого участка иглы, все будет повторяться - никакого атомного разрешения Вы не увидите в принципе.
Проводились ли измерения временных характеристик механики ?

Система сканирования представляет из себя классический трипод. На X,Y подаются напряжения от -20 - +20В из ЦАП установленного в ПК, напряжение по Z регулируется автоматически электронной схемой (время полной реакции обратной связи регулировки Z, устанавливалось экспериментально и составляло менее 1-5 мсек). Смысл автоматической регулировки в следующем: величина туннельного (преобразованная в напряжение) сравнивается с величиной устанавливаемой вручную (нужной задаваемой оператором) и далее подается необходимое напряжение на Z (меньше/больше) что-бы приблизить/отдалить иглу от поверхности и как следствие увеличить/уменьшить туннельный ток и как следствие сделать величину туннельного тока равной заданной

Процесс заключается в следующем, используя плечо из 3-х микровинтов грубо подъезжаем иглой к поверхности образца, когда туннельного тока нет, то на Z подается максимальное напряжение 20В (пьезик максимально растянут), когда подъезжаем ближе, появляется туннельный ток пьезик сокращается и выходит на заданную высоту (величину туннельного тока), начинается плавное сканирование по Х (от -20 до 20В с шагом 0,1В задержка между шагами 1-10мс), по окончанию сканирования строчки увеличивается напряжение на Y на минимальный шаг, далее опять сканим Х и т.д.... Как результат строится морфология поверхности... Если наезжаем на бугорки или попадаем в ямы, то Z автоматом растягивается/сжимается.... для поддержания заданного туннельного тока

Мы и измеряем значение изменнения на регуляторе, но в процессе сканирования мы видим очень большой шум и решили посмотреть значение тунельного тока, как оказалось разброс был -12-+12В.

Время ратяжения до полной длинны с полного сжатия составило порядка нескольких милисекунд.

Информацией для построения картинки на ПК, как раз и является величина напряжения по Z. Наши ребята, ездили 2 недели назад в Харьков к коллегам (у них такой точно самодельный микроскоп), так на пиролитическом графите видели атомное разрешение, а у нас где-то глюк.... Вообще мы велик тут не придумывали а заказали все это хозяйство у немцев...
http://sxm4.uni-muenster.de/stm%2Dru/

Фото с точно такого микроскопа (г. Харьков, сделанный по схемам немцев, точно такой и у нас) пиролитический графит....

Обратите внимание на немецкую схему - там ПИ регулятор в обратной связи - это принципиально.

Время Вы имеете какое - от подачи ступеньки на вход усилителя, или быстродействие замкнутой системы ?

Такой размах на выходе усилителя, скорее всего, объясняется колебательным режимом работы системы КЗ-обрыв. Все остальное - вторично.

мы не изменяли немецкую схему, моя схема была для показа принципа регулирвоания напряжения на пьезо

Люди, скажите пожалуйста. ЗАЧЕМ ОНО ВАМ?

этот вопрос не актуален

есть проблема которую необходимо решить.

Риторический вопрос..... Нема у нас 30К$ на нормальный прибор.... А смотреть с нм разрешением надо, занимаемся наночастицами, а они до 10 нм в диаметре, растровый не видет, просвечивающий на грани....

Мне просто очень интересно.


Раз у вас не вакуум, то я лично ПОЛНОСТЬЮ не понимаю почему ваш цирк с длинными экранированными кабелями итд. Можно же сделать один очень компактный модуль в котором будет все в одном. Метровый кабель убьёт все ваши ухищрения. Чем меньше расстояние между иглой и входом микросхемы, тем лучше и проще.

смотри пост №32

з.ы. спорить можно вечно, но необходимо решить проблему, у наших коллег все работает, даже очень хорошо работает

А у нас кто-то готов выделить хотя бы 10 на "нанотехнологии"

Там же и механика итд. Я понимаю что оно очень интересно, и прикольно, но жить-то на что-то нужно.

Если по делу, то вам нужно первый каскад делать ПРЕДЕЛЬНО компактный и по возможности совмещать с иглой.

длина провода менее 10см, но вся проблема в шуме на выходе, в понедельник будем пробовать способы озвученные ранее.

Ок. Первый каскад.
1. Забудьте об старых резисторах. Считайте что их нет. Купите 0805 и не мучайтесь.
2. делайте на двухстороннем текстолите. Нижнюю часть сделаете экраном, на верхней нарисуете водостойким маркером дорожки и протравите. Работает. Потом купите фольги на базаре медной и спаяете экран. Очень просто.


Еще вариант, Смотрите фото.

Та не 10К у нас не дадут..... догонят и еще .....

А усилитель-преобразователь туннельного тока (как видно на фотке, находится в железном коробке) в непосредственной близости от иглы 2-4 см, а от него уже идут длинный метровые провода.....

Сделайте 2...4мм. Это реально. Может и что-то с диф. каналом можно придумать.


Тогда еще пример монтажа. Черное посредине это двухзатворный транзистор. Вокруг него резисторы и диоды 0805 купленные тут
http://e-voron.dp.ua/
Транзистор на базаре куплен. Между прочим решение которое ОЧЕНЬ может вам подойти: ёмкость затвора просто смешная, быстродействие сотни мегагерц, шумы смешные, еще и усиление можно регулировать. А на нелинейность вам плевать.

Снимал мобильником, все блестит потому что залито сверху акриловым лаком.

с SMD мы знакомы, да и платы мы ЛУТом делаем, а в особых случаях фоторезистом можем, а вот насчет разделения земли и развязки то это попробуем

Попробуйте двухзатворный транзистор. ИМХО оно к вам аж просится вам в первый каскад.


http://www.qrz.ru/schemes/contribute/amplifiers/bf998.pdf

Эх, молодость вспомнилась. 1989 год, ночь, попытки в ночь получить атомное разрешение на графите.
Молодые люди, не ставтье 150М в обратную связь трансимпедансника, не видать вам счастья при ваших платах. 10М - вполне достаточно. потом по напряжению доусиливаете. да и операционник пошустрее надо. Ставтье пред ближе к иголке, намного ближе, чтобы неэкранированным проводом к иголке можно было прицепиться. Сделайте активный ограничитель для интегратора - сильно помогает в нештатных ситуациях.
это из 89 года советы. из 09 - ну промоделируйте вашу систему, чего детали-то портить...

А какая частота шума +\-12 В на выходе? Он появляется всегда или только когда приближаете иглу?
На первый взгляд приведенная вами схема работать не должна - у вас два интегрирующих звена в ОС, все должно звенеть. Поэтому важно понять, это шум сам по себе или появляется при замыкании ОС, т.е. при прилижении иглы.

Я не сильно понял. Но там вроде как резисторы стоят. Кондеры шунтируют. Так что не совсем интегрирующих.

Вот схема стабилизации тока, посредством изменнения напряжения на пьезо

Нажмите для просмотра прикрепленного файла


Шум валит всегда, на графике получаеться почти залитая полоса шириной в 24вольта (от-12 до +12)