Здравствуйте.

Прошу совета по следующему вопросу.
Делаю управляемый источник напряжения для системы измерения ВАХ. Нужно будет мерять малые токи. Поэтому сочинил некую схемку для преобразования ток-напряжение с последующим усилением (см. рисунок). Теоретически схема должна работать (насколько я понимаю работу ОУ ). Однако, несмотря на приложенные усилия я не нашел описания подобного устройства. Казалось бы, преимущества налицо: можно ставить любое R0 и никак не влиять на выходное сопротивление источника. Но никто так не поступает!

Стремно как-то. В чем же подвох? Наверняка ведь не спроста это.

Короче говоря, можно ли так мерять ток, и если нет - почему?
Заранее благодарен за просвещение.

Почему же нельзя? Можно. Нарисуйте путь прохождения измеряемого тока и Вы поймёте, в чём недостаток этой схемы.

Схема, наверное, работоспособна, но при относительно малых токах. Выход ОУ должен через R0 отдавать ток, равный току нагрузки. Для практики это малопригодно.
Лучше замкнуть вход ОУ на землю через малое сопротивление и измерять ток косвенно, по падению напряжения на нем. Классический токовый шунт.

Пардон, не совсем понял, что значит путь прохождения тока? После нагрузки ток идет через R0. Это имеется ввиду?


Не хочется токовый шунт, т.к. измеряемые токи желаемо достигнуть менее 10 нА. Малое сопротивление шунта потребует больших коэффициентов усиления, что боюсь приведет к шумам. А тут можно поставить 10кОм и никак не повлиять на выходное сопротивление источника напряжения.

Правильно ли рассуждаю?

А дальше? Посмотрите внимательно.

Хм. Ну дальше он просуммируется с выходным током ОУ и током через резистор на инвертирующем входе выходного усилителя. (Тут, конечно нужно учесть, что этот самый резистор не должен нагружать ОУ. Думаю, 2кОма будет нормальное значение).
Где-то так?

Я не уточнил. Верхнее значение измеряемого тока ~100мкА. Поэтому замечание Microwatt, вроде, отпадает.

отпадает-то отпадает....
так сразу бы и пояснили, что не 10 мА, а 10 нА.
Не, такого мелкого я еще не измерял. Думаю, тут своя специфика. Это уже близко к уровню шумов и входных токов популярных ОУ.
А каковы уровни напряжений?

Напряжения 0...2,5 В

Итак, получается, что единственный недостаток - диапазон измеряемых токов ограничен выходным током ОУ. Ну при таких шансах можно играть
Спасибо всем.

Если уж используете 4-проводную схему измерения, то лучше сделать так:

Схема нормальная. Можно даже немного ее изменить - сэкономить один ОУ. Делается след. образом - 1-й ОУ - DUT - шунт - "ноль".
Второй ОУ - повторитель с шунта. Его выход на АЦП и через хороший резистор на + вход 1-го. На тот же вход через другой резистор - сигнал с ЦАП. На - вход 1-го через резистор сигнал с выхода и через другой резистор - "ноль".
Отношение резисторов в обеих ветвях должно быть очень одинаковым.


Порядок величин не тот... нановольты не стоит ловить, наверное. И два провода нормально.

В моем варианте можно выкинуть вольтметр и верить тому, что выставляется на ЦАПе (и автоматизировать измерения). Если ОУ зайдет в ограничение по току, то это будет видно по показанию измерителя тока, а ограничения по напряжению можно избежать задав питание ОУ больше, чем может выдать ЦАП. Все просто.

PS. Сопротивление кабеля у ТС не указано

В моем - тоже. И Автор зря вольтметр нарисовал. Полагаю, что длина кабеля не километр. Может, - ошибаюсь.
С другой стороны - АЦП сейчас почти все N-канальные. Тут нет экономии.

Очень интересная и, очевидно, полезная схема, но я ее наверное не буду применять по одной причине. Дело в том, что вся система строится на базе Кейтлевского мультиметра - единственного прибора, которому доверяет заказчик. По току у него правда не хватает чувствительности. Поэтому приходится огород городить. А так хоть результатам измерения напряжения будем верить безоговорочно и по ним, в случае необходимости, калибровать измеренный ток путем подключения хорошего резистора вместо нагрузки.

Схема вполне работоспособна. Подобную встречал как входной каскад электронного микроскопа.
Дополнительные детали: паралельно входу обязательно встречно-паралелные диоды. Операционник с проволочными выводами. Точка входа не на печатной плате , а на дополнительном изоляторе (навесной монтаж). Измеряемые входные токи пикоамперы.

На счет диодов, я понял наконецто зачем они. Действительно между входами напряжение 0 и входные токи они не должны добавить. А какие диоды это должны быть? Любые подойдут?

Можно не ставить диоды, а ограничить выходной ток. Если это единичное изделие, то можно использовать полевой транзистор как диод. Если клиент измеряет все мультиметром, то и третий ОУ можно убрать. А еще бывают приставки в такие мультиметры, которые делают его многоканальным. Вставляются внутрь сзади. В приставке релюшки и их драйвер.
А еще бывают от той же фирмы специальные приборы для измерения этих самых вольт-амперных характеристик. Не очень даже дорогие.


Еще можно включить DUT в обратную связь ОУ, а на вход через хороший резистор - сигнал с ЦАП.
Всего один ОУ... ЦАП ведь выдержит 100 мкА.
Иногда задавать ток лучше.... По сути - это Ваша схема, только резистор и DUT поменялись местами.

Та выдержать то 100мкА ЦАП выдержит. Да только у него DC Output Impedance (Normal) 8кОм. Думаю напряжение будет сильно отличаться от заданного.
Что касается задания тока, то ВАХ нужен именно с заданием напряжения. Это принципиально.

Хозяин - барин. А что за ЦАП?

ЦАП AD5063.

Посмотрите в сторону семейства dac856X. Там и буфер, и опора внутри.

Я пытался намекнуть Вам, что измеряемый ток после R0 может разветвляться и зависеть в конечном итоге не только от напряжения уставки, но и от положения движка потенциометра, регулирующего смещение последнего усилителя. Поэтому, если он необходим, стоило бы применить усилитель с большим входным сопротивлением, например, неинвертирующий.

Так единственная роль этого ОУ - поменять знак до АЦП...
А Ваши намеки и рассуждения про неправедные пути тока не могу понять. Пока.

Нет нужны диоды с максимально низкой ёмкостью. и током утечки (это в случае пикоампер) Конструктивно с проволочными выводами

Пооже Вы правы, схему я до конца не понимаю.
Почему так нельзя ставить потенциометр - дошло после двух суток игр (напряжение на нагрузке все время получалось сдвинутым). Но даже после заземления неинвертирующего входа выходного усилка смещение осталось (хотя и стало меньше). Что за мура? Уже сил нет

А какие ОУ Вы используете?

На выходе ЦАПа OP295, ток измеряю с помощью AD822. Высылаю более полную теперешнюю схему.

Ситуация следующая. Если отключаю нагрузку, на выходе OP295(2) практически то, что нужно ~ -9,9...+9,9 мВ (немного правда смещено в отрицательную сторону но терпимо). Как только подключаю нагрузку напряжение на ней находится в диапазоне ~ 12...32 мВ.
Не понимаю почему.

Что-то я тоже ничего не пойму. Если нагрузка отключена, откуда на выходе OP295(2) ~ -9,9...+9,9 мВ? На вход ведь ничего не подаётся.
И для случая с нагрузкой проставьте прямо на схеме напряжения во всех узлах, а то неясно сколько где должно быть.

Уважаемые коллеги, ситуация прояснилась, но сверкнула новыми гранями.
Высылаю уточненную схему со следующими комментариями.
После раздумий, я все таки вернул назад потенциометр. Как не крути, какой бы потенциал инвертирующего входа AD822(2) ни был, а напряжение на R0 (т.е. на выходе AD822(1)) должно быть I0*R0. Для точного измерения тока этого достаточно.
А причина описанной выше проблемы, как и следовало ожидать, в малозначимой детали, которую я даже не рисовал вначале.

В параллель нагрузке я поставил емкость 10нФ. Я всегда так делаю, поскольку считаю данный тип конд.(см. фото) без утечек. И что Вы думаете? с конденсатором напряжение смещается на 20мВ !!! Я попробовал разные из тех что имею - результат аналогичен.

Объяснения тому я не нахожу. Пока убрал. Вот думаю как схема будет себя вести на емкостной нагрузке

Для того, чтобы изменить выходное напряжение на 20мВ через конденсатор должен протекать ток в 2мкА. Это невероятно. Посмотрите осциллографом, не возбуждается ли Ваша схема.

Ну я то посмотрю в понедельник, конечно. Но с трудом могу представить чего ей возбуждаться. Самый большой коэффициент усиления 5. А питание все на 78L05 с конденсаторами на входах и выходах. Хотя, электролиты на выходах может и стоит попробовать убрать (как минимум и без них должно работать)

Не любят ОУ когда им конденсаторы на инвертирующий вход цепляют... и дело тут даже не в усилении

Кондер можно в параллель с R0 поставить если чо

Интересно, каковы результаты дальнейших тестов?

Честно говоря, по разным причинам с осциллографом поиграться толком не удалось (т.е. видел разное и не воспроизводимое, поэтому пока молчу про возбуждение схемы).
На счет рабочих режимов прибора могу сказать следующее.
1. Показания вольтметра при измерении обоих сигналов довольно зашумлены (еще надеюсь разобраться почему и улучшить).
2. 1мкФ в параллель R0 улучшил картину по измерению тока но не принципиально;
3. Любой конденсатор в параллель нагрузке (даже ~ 100 пФ) заметно смещает выставляемое напряжение. В результате получается та же ширина диапазона ~ 20мВ, но в совершенно неожиданном месте. Например, напряжение может стать однополярным).
Пока все.

А как бы Вы вели себя на месте стабилизатора напряжения, когда бы Вам подсунули вместо нагрузки короткое замыкание (конденсатор)?
Попадалось отечественное специализированное устройство для измерения ВАХ. Так оно выдавало отрицательное сопротивление, показывало, что ток течет при нулевом напряжении или в другую сторону.
Все микропроцессорное такое из себя. Коробочка, клеммочки... чистый Кейсли... снаружи. (Жужжит, летает, в ухо не попадает.)
Далее следует содержательная часть сообщения...
Лечилось включением последовательного резистора с последующим вычитанием уже в ПК.

Да, это похоже на возбуд. Посмотрите схемы работы ОУ на емкостную нагрузку. Можно добавить в повторитель 2 резистора и кондер и устранить возбуд не потеряв в точности выставления вых. сигнала.

А если включить DUT в обратную связь, то конденсатор или собственная емкость будут даже полезны...
Получится трансимпедансный усилитель. На вход подаем напряжение от ЦАПа. Через резистор. Пилу-развертку. В нужной точке выходного напряжения (если очень хотим получить кривую в фиксированных точках по оси напряжений) останавливаемся... Или ищем ее методом Ньютона. И интерполируем.
Очень подойдет OPA380.
Вопрос ТС. У Вас на схеме после ЦАП делитель на 500 стоит. Так и надо?

Дык все верно, 5В/500=10мВ (что и нужно ТС, как он сам писАл)

2.5 V видела. А 10 mV - нет.

Сообщение 26

А в восьмом написано - Напряжения 0...2,5 В
Мне вот непонятно, какой смысл снимать вольт-амперную характеристику в диапазоне +-10 мВ. Не хватает воображения, наверное.

На самом деле нарисовал я только один самый маленький по напряжениям поддиапазон. Там стоит три делителя, которые обеспечивают диапазоны 0..+-10 мВ, 0...+-1В, 0...+-2,5 В. Такие странные, на первый взгляд, диапазоны нужны для исследования нанотрубок. Дело в том, что они очень нежные в электрическом плане и нужно получать токи через них чем меньше - тем лучше. Главное чтоб померять можно было)

Что же касается сути вопроса - докладываю, что версия про возбуд повторителя из-за работы на емкостную нагрузку полностью подтвердилась. Впаял обратную связь по переменной составляющей, увеличил время измерения, и все более-менее заплясало (плюю и стучу по дереву ).
Большое всем спасибо советы и наталкивания на путь истинный.

Такие штучки нужно измерять четырехконтактным методом. И на переменном токе. Я так думаю...

Так может, есть смысл воспользоваться чужим опытом: CN0200, CN0257?

http://www.ti.com/product/dac1220
Это дешевле. А скорость не нужна.