Потужне зондування nA до mA


17

Мені потрібно відчути струм цільового MCU через різні періоди його стану ввімкнення / сну / вимкнення, а потім мені потрібно відправити ці дані назад в інший інтерфейс MCU, щоб прочитати значення. Вони будуть обидва на одній платі, живиться від 5 В USB.

Однак це вимоги, які я маю:

  1. 5 В USB живлення
  2. Повинно бути здатним чути струми в діапазоні від nA до mA з високою точністю / точністю. (Я цифра від 1 нА до 500 мА)
  3. Виміряйте лише струм цільового MCU, а не інтерфейс.
  4. Потрібно вивести максимум 3,3 В інтерфейсу MCU

Я переглянув доступні варіанти та підсилювачі струму від Texas Instruments, які не можуть відчути nA через більш високі струми зміщення. Тому я відчуваю, що мені знадобиться точний підсилювач.

Однак я застряг у тому, як діяти з цим, тому що мені потрібно якось мати автоматичний динамічний діапазон струму, і я досить новачок у поточному зондуванні і не дуже впевнений у всіх особливостях.


10
Ви, по суті, говорите про 9 порядків або 30 біт (без шуму). Це дуже нетривіально.
corecode

Чому? Коефіцієнт посилення вручну ... Як і три резистори між ldo і 12V: 1R, 100R і 10k.
Григорій Корнблум

Григорій, це те, що я думав, я бачив, що це робиться із пристроєм uCurrent Gold. Чи може бути спосіб автоматичного регулювання цього посилення?
Андреа Коррадо

1
Якщо ви добре з перемиканням діапазонів вручну, це стає набагато простіше. Однак це не вдасться, як тільки ваша цільова система перетворить режим живлення сам по собі. Спроба намалювати кілька мА через 10k сенсорний резистор зменшить напругу живлення і почне вимикати мікросхему.
corecode

1
Яке ваше визначення високої точності та точності? Крім того, на яких частотах ви вимірюєте? У вас є набагато більше варіантів, якщо ви можете витратити час на проведення декількох інтегрованих вимірювань, ніж якщо вам потрібно зробити це в режимі реального часу за 5 мегазразків чи щось подібне.
Корт Аммон - Відновити Моніку

Відповіді:


27

TL; DR

Подано схему на основі топології регулятора, стійкої до будь-якого ємнісного навантаження, що включає діод послідовно з вихідним струмом. Напруга, що розвивається на цьому діоді, є номіналом журналу струму, що дозволяє вимірювати дуже широкий діапазон струму за допомогою одного діапазону напруги. Відмінна динамічна стабільність була продемонстрована в моделюванні.

При малому струмі ланцюг шумно і повільно (немає великого здивування). Наведені результати показують приблизно +/- 5% RMS-шуму при низьких струмах, для часу відстояння 10uS для струмів 1uA і вище, збільшуючи до 1 секунди час відстоювання для струмів до 1nA.

/ TL; DR

Я підозрюю, що вам не потрібна висока точність. Ви думаєте, що ви робите це через величезний діапазон від nA до 500mA. Очевидно, що +/- 1nA при 500mA вимагає колосальної точності. Я підозрюю, що +/- 10% при 500mA одночасно з +/- 10% при декількох nA і один діапазон для покриття обох без комутації буде корисним.

Початкова думка, яку я спочатку кинув як пропозицію, наведена внизу допису для ознайомлення.

На жаль, він має фатальний недолік. Хоча він може вказувати на 1nA досить добре, оскільки струм раптово зростає, вихідний сигнал підсилювача спочатку не рухається, як через внутрішню компенсацію, так і C1. Як результат, вихідна напруга на мить падає більш ніж на 1 В (необхідний для отримання струму, що протікає через Q1 і D1), що сильно бентежить будь-який MCU, що подається цією лінією.

«Рішенням» є включення в аналіз ємності роз'єднання шини MCU. Однак додатковий C на лінії MCU провокує нестабільність, оскільки він перебуває в манері з інвертуванням входу OPAMP і практично не компенсується в широкому діапазоні, який ми хочемо.

Отже, наступна думка полягала в тому, що "це в основному підсилювач трансимпансу, хоча і з дуже нелінійним резистором зворотного зв'язку, наскільки вони стабільні?" Швидкий пошук тих, хто привів мене до статті Боба Піза (RAP Nat Semi, Bob Pease - обов'язково читає будь-якого дизайнера-аналога. Якщо ви нічого не берете з цієї відповіді, викопайте та прочитайте деякі його речі!)

Було швидко видно, що передбачувана ємність на інвертувальному вузлі підсилювача, хоча і велика в порівнянні з pF, була дуже мала порівняно з 10uF, яку ми могли б знайти на лінії VCC, і швидке налаштування швидкості передбачало постійний резистор зворотного зв'язку, так ця топологія була нестартовою.

Тоді я подумав, що якщо ми не збираємося витісняти MCU, коли змінює струм, він повинен вести себе як регулятор. Я згадав питання про тантал проти керамічних вихідних конденсаторів ЛДО. Архітектури, які розраховують на стійкість півтора ОМ танталу, не є стійкими до кераміки. Коли топологія буде змінена на толерантність кераміки до нульової ШОЕ, вони можуть допустити будь-яке велике значення вище зазначеного мінімуму.

Для того, щоб впоратися з великим вихідним конденсатором, він розроблений як домінуючий полюс, джерело вихідного струму перетворює його на інтегратор, зберігаючи решту ланцюга управління з фазовим зсувом менше 45 градусів. Після того, як цей фліп зроблений, вихідний конденсатор може бути будь-якого розміру більшим, і LDO все ще буде стабільним. Вихідний конденсатор регулятора забезпечує весь заряд напруги під час події зміни струму.

Зараз я шукав нотатки програми LDO. Це результат нового дизайну. Він широко схожий на оригінальний у концепції постійного струму, але побудований навколо вихідного конденсатора і використовує хитрощі, використовувані НДО, призначеними для кераміки, для отримання достатньої стабільності.

введіть тут опис зображення

Аналіз

Q2 - пристрій серійного пропускання PNP, сконфігурований з R2 для вихідного струму. Цей конкретний тип - це 1 Amp, 200 hfe 150, 50v, 400MHz ft досить кулінарна частина, яка була в бібліотеці LTSpice. I1 змінює його до номінального 10mA, щоб зменшити дельту V, необхідну при раптовому збільшенні струму від нуля, і забезпечити істотну раковину струму, щоб впоратися з раптовим зменшенням струму.

D1 - наш старий друг, нелінійний елемент, через який вихідний струм розвиває напругу журналу. Я використав 1n4148, як це було в бібліотеці. До нього приєднується R1, щоб визначити нижній кінець поточного діапазону (10mV на 1nA), D3 для лову зворотних напруг, коли струм раптово зменшується, і C2, оскільки це покращує стабільність і перевищення виходу. Зауважимо, що якщо 1N4148 буде замінено на типів beefier 1n400x, їх більш висока ємність буде повністю поглинена C2, тому вони досить добре змодельовані для стабільності.

Я б моделював TL071. Спочатку я спробував LTC1150, який мав ГБВ 1,5 МГц, але намагався отримати розумну стабільність. Потім я перейшов на показаний LT1022. Це трохи швидше на 8 МГц ГБВ, але є багато набагато швидших деталей.

Мережа навколо нього включає R3 до 0v, C3 для стабільності та R4, щоб додати нуль до C3, як це пропонується в примітках до програми LDO. З цими цінностями, до яких дійшов надію на сподівання, це вже непогано. Я впевнений, що це може бути краще за допомогою трохи належного аналізу. Замість того, щоб використовувати стабільний підсилювач, який швидше отримує єдність, краще використовувати той, який декомпенсується.

Це звичайно виглядає досить стабільно для цієї мети. Кожен, хто будує цю схему для використання в гніві, може виявити ще кілька немодельованих паразитиків, які знижують стабільність, але я б запропонував почати з ще більш швидкого підсилювача, щоб дати собі трохи більше ліктя.

I2 забезпечує демо-завантаження поточного часу для демонстрації. Як видно з рядка параметрів, він скорочується від 100pA до 100mA зі швидкістю 100nS (тобто зміна струму в одному циклі 10 МГц), і знову назад. Діод D2 забезпечує зручний спосіб моделювання для відображення струму журналу, і не є частиною цільової ланцюга.

Роблячи моделювання, я вважаю за краще, щоб усі "дії" були приблизно 0v, тому для показаних тут рейок -5, 0v та + 5v читайте 0v, + 5v та + 10v відповідно для програми OP.

Це загальний перехідний сюжет

введіть тут опис зображення

Початкове значення постійної напруги вихідної напруги становить 0,5 мВ для 100pA, а коли я переходжу від 1nA, це приблизно 5mV, тому у нас є розумна дискримінація на рівні і нижче рівня 1nA.

Під час збільшення струму незначне перевищення величини вимірювання.

Шкала вражає межі діода, коли струм зменшується. Є також хвіст з читанням 20 мс при переході від 100mA до 100pA, я не знаю, як це покращити, можливо, хтось має пропозицію. Хвіст все ще присутній при переході вниз до 10nA, але при переході вниз до 100nA і більше хвіст відсутній. Для цього додатка я думаю, що це нормально.

У наступних трьох сюжетах ми розглянемо всю важливу стабільність вихідної напруги в рейці.

З підвищенням від 100pA до 100mA

введіть тут опис зображення

Перехідний залізничний перехід є лише 12мВ, і мертвий такт. Ви не знайдете багато комерційних LDO, які забезпечують таку ефективність для таких бурхливих поточних змін.

і по дорозі назад до 100pA

введіть тут опис зображення

Без D3, щоб забезпечити зворотну провідність, Vmeas би перекинувся на рейку на деякий час, а не до -0,6 В.

введіть тут опис зображення

Низький залізничний перехідний період також обмежений 12мВ. Ви можете бачити обмежений темп зменшення вниз, що є результатом потокового потоку I1.

Я не збираюся говорити, що це доказ принципу, але я думаю, що це дуже хороший доказ правдоподібності. Моделювання включає в себе багато паразитиків, Q2 Miller C, компенсацію opamp та, коли продуктивність конкурує з LDO, я думаю, що це досить гарна основа, з якої почати розробляти щось, що може живити MCU, в різних струмах, читаючи велику кількість дальність.

Це показує Vmeas як вихід. Як зазначено в первісному пості, теплова точність буде покращена, якщо її виміряти відносно іншого діода при тій же температурі. Vmeas - низький вихідний імпеданс, тому це дуже просто для простого диференціального підсилювача.

Як і раніше, заміна R1 на резисторі з меншим значенням дасть більш точний лінійний вихідний діапазон для напруг, для яких D1 не проводить.

Проблеми із шумом

Тепер, коли була розроблена стабільна схема, ми можемо почати дивитися на шум. На наступному графіку показано коефіцієнт підсилення від вхідного підсилювача з конденсатором 1nF, встановленим на C2. Криві охоплюють від 100pA до 100mA. Криві 100pA та 1nA не відрізняються від яскраво-синього та дуже близькі до червоної кривої 10nA. 1uA рожевий, 1mA темно-синій, крива 100mA найнижча як фіолетова.

введіть тут опис зображення

Використання імітаційного шуму LTSpice та використання. Вимірювання для інтеграції вихідного шуму по ширині смуги від 10 мГц до 10 МГц, використовуючи конденсатор 33nF для С2, призвело до відносно постійного шуму 2 мВ Rms для струмів 1nA до 100uA, при цьому шум падав із збільшенням струмів приблизно до 100uV rms при 100mA.

Штраф збільшеного значення С3 був збільшений час відстоювання після крокового зменшення струму. Час виходу кінцевого значення в межах 1мВ становило приблизно 10мС до 1уА, 60мС до 100нА, 500мС до 10нА і 900мс до 1нА.

Теперішній підсилювач, LT1022, вимагає декількох 10с нВ на 1 кГц. Згадана раніше стаття підсилювача трансимпанції Боба Піаса дозволяє припустити, що 3nV є можливим при вході низького струму FET, використовуючи дискретні низькошнурові FET в якості переднього кінця до складеного підсилювача. Використання такого вдосконаленого opamp повинно знизити рівень шуму на порядок.

Це оригінальна пропозиція, для довідки.

схематичний

імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab

Операційний підсилювач подаватиме струм через Q1 і D1, щоб підтримувати вихідну напругу на рівні 5 В, тому ваш MCU завжди бачить правильну робочу напругу.

Напруга, яку ви вимірюєте між двома діодами, пропорційна логу відношення струму D1 до струму D2. Хоча ви можете працювати тільки з напругою в межах D1, це залежить від температури. Цей метод використовує D2 для компенсації цієї залежності.


Візьміть підсилювач із чудовою щільністю напруги шуму 1 нВ на квт (Гц) та пропускною здатністю 10 кГц (відповідно до вимірювання імпульсів струму, прийнятих MCU). Шум напруги на виході повинен становити 30 непарних НВ RMS, і це вище 100 Гц (як правило). При 1 Гц це будуть мікровольти шуму, так як ви можете сказати, що ця схема працює до 1nA з будь-яким поважним ступенем точності? Тоді ви повинні подивитися на посилення шуму OP-AMP. НГ буде суттєвим, враховуючи характер навантаження (низький опір). Я не заборонив BTW.
Енді, ака

1
@Andyaka не впевнений, що ти намагаєшся зробити тут Енді. Це читання журналу. Скажімо, у нас було 1мВ шуму, це щедро переоцінка, а не мікровольт, про який ви турбуєтеся. Я щойно виміряв 1N4007, і це приблизно 100mV на десятиліття струму (317mV при 1uA, 599mV при 1mA, 909mV при 1A), тому 1mV шуму - це один сантиметр десятиліття, або приблизно +/- 2,3%, ну в межах моя WAG для точності 10%. Більш суттєвим є те, що 300mV на 1uA проектує до 100nA / 200mV, 10nA / 100mV та 1nA для нульового зміщення, тож щось подаватиме десь при досить низькому струмі. Дякуємо за ваш внесок.
Neil_UK

1
Відредаговано відповідь, щоб включити режим низької напруги / низького струму.
Neil_UK

Це акуратний контур. Чи впливатиме струм витоку з мосту багато чого?
TLW

Моє нещодавнє вимірювання IN4007 запропонувало витоку 1nA при нульових вольтах, я б припустив, що типові мости 1A будуть використовувати аналогічний кремній.
Neil_UK

3

Повинно бути здатним чути струми в діапазоні від nA до mA з високою точністю / точністю. (Я цифра від 1 нА до 500 мА)

І….

Мені потрібно відчути струм цільового MCU через різні періоди його включення / сну / вимкнення

Гаразд припустимо, що ви будете розміщувати резистор невеликої величини в подачі живлення, що резистор не повинен "падати" більше (скажімо) 0,1 вольта при 500 мА. Якщо вона знизила значну напругу, то ви ставите під загрозу вимірювання і, можливо, змушуєте цільовий пристрій працювати при занадто низькій напрузі.

Так, на 500 мА і 0,1 вольт потрібен резистор величиною 0,2 Ом. Тепер цей резистор при живленні 1 нА видасть вимірювальну напругу 0,2 нВ.

Ви бачите першу проблему? Насправді це не дешевий і надійний технологій, який може це зробити, оскільки будь-який підсилювач буде мати шум значно більший, ніж ви намагаєтеся виміряти, і, враховуючи, що ви хочете зробити динамічні вимірювання, потрібна пропускна здатність може становити десятки кГц, і ви просто вимірюєте шум!

EDIT - міркування підсилювача підсилювача

  1. Припустимо, що пропускна здатність 10 кГц (приблизно 7 кГц смуга сигналу з метою адекватного вимірювання змін струму цілі) означає, що підсилювач напруги з напругою 1 нВ / кв (Гц) має еквівалент 100 нВ RMS на рівні неінвертуючий вхід. Підсилювач з таким низьким рівнем шуму справді є рідкісним звіром і має безліч інших проблем, які вирішать цю конструкцію.
  2. Використання діода в контурі зворотного зв'язку виглядає привабливо, але в цілому близько 100 нА, що надходить до навантаження, він матиме, можливо, 300 мВ поперек нього. Як опір, це встановлює коефіцієнт посилення шуму ланцюга підсилювача. Отже, 300 мВ / 100 нА - це динамічний опір у 3 МОм, і це значення опору буде тільки зростати, коли струм живлення падає нижче 100 нА, тобто все погіршуватиметься при менших струмах.
  3. Цей опір (динамічний опір діода в ланцюзі зворотного зв’язку) разом з динамічним опором навантаження створюють посилення шуму в ланцюзі підсилювача, тому, якщо динамічний опір навантаження становить 1 Ом, тоді посилення шуму 3 000 000 (якщо припустити, що підсилювач може поставити цей відкритий цикл).
  4. Вхідний шум вхідного сигналу (як згадувалося вище) становить 100 нВ RMS або (використовуючи 6 сигм), 600 нВ pp. Половина цього викидається через діод, який блокує його, таким чином, 300 нВ посилюється на 3 000 000, а отже потенційно виробляє пікову напругу 0,9 вольт.
  5. Це "потенційна" напруга шуму, яку можна побачити на виході підсилювача. Однак якщо шум напруги піднімається вище 300 мВ, тоді динамічний опір діода падає з 3 МОм, а коефіцієнт посилення зменшується, і наслідком всього цього є те, що пікова напруга шуму, ймовірно, знайде рівень, що досягає максимального значення приблизно 400 мВ. Але до цього моменту (від 0 нА до 100 нА) всі ставки знижуються, намагаючись отримати будь-які гідні оцінки.

Якщо динамічний опір навантаження становить 10 Ом (а не 1 Ом), то це вже інша історія, але чи це стане можливим, враховуючи ймовірність 100 нФ заглушок на силових рейках та можливу наявність більш високих значень.

Наскільки складно буде знайти підсилювач з таким шумом джерела низької напруги, який має насправді низькі струми вхідного шуму? Також пам’ятайте, що для більшості підсилювачів напруга шуму різко зростає, коли частота опускається нижче (приблизно) 100 Гц, тому це справжня проблема.

Отже, щоб зробити роботу з підсилювачем підсилювача, пропускну здатність повинна бути значно обмежена, але чи дає це ОП можливість адекватно вимірювати динамічні зміни струму, коли (скажімо) цільовий MCU виконує різні підпрограми?


1
Читаючи ОП, я думаю , що вона дійсно бачить проблеми, з коментарями , як «автоматичне перемикання діапазонів» і тому подібні. Ви не вважаєте, що ваше риторичне запитання дещо піддається покровительству, тим більше, що ви не даєте їй шляху до вирішення.
Neil_UK

@Neil_UK Я не бачу рішення (не ваше), якщо не надано більш детальної інформації про обмеження пропускної здатності. Якщо я підійду як покровительствую, то саме з цього приводу ви б мене неправильно читали.
Енді ака

Я бачу ідею Ніла як відмінну. ОП було доручено контролювати стан живлення MCU, але вимоги не узгоджувались із специфікою завдання, що призвело до абсурдного діапазону. На практиці вам потрібен швидкий час відгуку лише тоді, коли MCU знаходиться в активному режимі та споживає mAmps. Коли він спить, нікого не хвилює, наскільки швидко він перемикається в діапазоні нА, і тому пропускну здатність можна зменшити до нуля. Які люди переймаються в цьому режимі, чи перейшов MCU у стан низької потужності та чи є помилки в дизайні / програмному забезпеченні, які не дозволяють MCU досягти своїх цілей живлення.
Але..ченський

@AliChen, якщо ви не говорите від імені ОП, то я пропоную вам не намагатися і вдруге вгадати ситуацію.
Енді ака

@Andy: Я просто кажу з досвіду. Розгляньте мій коментар вище як питання до ОП, і дозвольте мені відкинути вашу пропозицію.
Але..ченський

0

Поки вам не потрібна швидка комутація посилення. Ви можете зробити схему підсилювача TIA з релеми, що використовуються для перемикання опору зворотного зв'язку, коли ви дісталися до верхнього та нижнього кінців діапазонів. Піднятися вище ~ 10-30 мА важко для типового оператора, тому для високого діапазону потрібно трохи більше продумати. Чи потрібно відчувати біполярні струми?


0

Вимірювання струму в такому широкому діапазоні без значних втрат точності вимагає струму відчуття струму з регульованим опором. Зазвичай це або набір резисторів з різними значеннями в парі з FETs, або просто транзистори FET, підключені послідовно. Ця схема керується контуром зворотного зв'язку: коли змінений струм змінюється, будь-яке значення резистора перемикається з регульованою напругою затвора FET. Agilent реалізує останній метод у деяких своїх джерелах живлення.

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.