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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Impedanzwandler für Petaohm Messungen


Autor: Alex Schmidt (change18)
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Hallo, ich habe ein Problem mit meinem Impedanzwandler. Der sollte 
Widerstände bis 50-100 GOhm messen, dafür brauche ich ein OP mit 
Eingangswiderstand von midestens 10^15 Ohm (bei Spannung etwa 15V bis 
20V), hab so was änliches gefunden AD549LH und hab die Schaltung die im 
Datenblatt war genommen, da ich für 4 Punktmessung zwei OP's brauche 
habe ich einfach zwei gleiche Schaltungen genommen und parallel die 
Versorgungsschpannung angeschlosssen. Erstes Problem, dass er so mit 
zwei OP nicht arbeiten will, entweder er misst nichts oder wenn der 
lange nicht benutzt war am anfang misst was und dann ist Schluss, dann 
wird am Ausgang die Versorgungsspannung ausgegeben, aber das blöde 
daran, dass wenn ich Eingang direkt mit Spannungsquelle verbinde 
funktioniert alles einwandfrei, und wenn über den Widerstand gemessen 
wird funktioniert widerum nicht. Und zweitens die Schaltung schwingt 
sehr stark, weiss auch nicht wieso. Da sind die Kapazitäten eingebaut um 
Hochfrequenz zuentkoppeln, aber anscheind funktioniert es nicht wie 
erwartet.
Kann jemand was zur Schaltung sagen, was da falsch für hochresistive 
Messung ist? Oder weisst jemand besseres OP für dieser Zweck?

Autor: .... (Gast)
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Vierpunktmessung ? Um den Spannungsabfall in den Leitungen zu 
kompensieren ? Irgendwas wurde da nicht verstanden...

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Vierpunktmesung sollte gemacht werden, an äußeren Kontakten wird Strom 
gemessen und an inneren stromlos Spannung, um Spannung zu messen brauche 
ich Impedanzwandler, da der Widerstand dazwischen sehr hoch ist!

Autor: oszi40 (Gast)
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Selbst wenn der OPV 10^15 Ohm am Eingang hat, kann der Aufbau noch eine 
Katastrophe sein bei solch hochohmiger Geschichte!!!

Fehlverhalten durch statische Aufladung sind in diesem Bereich eher die 
Regel. Flussmittelreste, falsche Isolation usw. werden noch viele 
Erfahrungen bringen.

Der beste Isolator ist in diesem Fall meist die Luft. Aber schon wenn 
ein Blatt Papier auf dem Schreibtisch verschoben wird, kann sich die 
Situation durch statische Aufladung dramatisch verändern.

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Ja das weiss ich, aber das bringt mich nicht weiter! Wie soll es dann 
isoliert werden??? oder gibt es dafür spezielle Schaltung?

Autor: faustian (Gast)
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Was benutzt Du denn fuer Isolierstoffe? Evtl macht es sinn die Eingaenge 
mit einer Abschirmung zu umgeben die an den AUSGANG des Impedanzwandlers 
angeschlossen wird ... dadurch liegt naemlich effektiv kein Potential 
mehr ueber dem Isolierstoff/-Gas zwischen hochohmigem Eingang und 
niederohmigerer Abschirmung.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> oder gibt es dafür spezielle Schaltung?
Sag doch einfach erst mal WAS du messen willst. Was ist das für ein 
Peta-Ohm Widerstand? Wie ist der an die Schaltung angeschlossen? Wie ist 
dein Messaufbau?

Eine Widerstandsmessung kann das m.E. so noch nicht sein...  :-o

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Alex Schmidt wrote:
> Vierpunktmesung sollte gemacht werden, an äußeren Kontakten wird Strom
> gemessen und an inneren stromlos Spannung, um Spannung zu messen brauche
> ich Impedanzwandler, da der Widerstand dazwischen sehr hoch ist!


Was Du beschreibst ist Niederohmmessung mit Kelvin-4Punkt-Meßtechnik.

Was Du benötigst (für Hochohmmessung) nennt man Guarding, das ist eine 
aktiv getriebene Abschirmung (getrieben durch die Meßschaltung).

Weiterhin sind Dein Problem nicht die 10exp15 Ohm des OPV (die gibt'S 
nun wirklich an jeder Ecke), sondern deren Eingangsströme (die sollten 
im Femtoampere-Bereich sein).

Meßspannung?
Wenn egal, dann nimm 100 oder 250V DC. Dafür gibt's genug gängige 
Technik für wenige zig Euro zu kaufen.

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Ich messe schon mit Koaxialkabel, es werden mit vier Spitzen die 
Shottky-Kontakten an einer Halbleiter-Probe konaktiert. Aber die 
Schaltung scheitert sogar wenn ich einfach 3 Widerstände je 1GOhm in 
Serie nehme und an äußeren Kontakten Spannung anlege und an inneren 
messe, eigentlich schlicht normale Spannungsteiler, mit kleineren 
Widerständen (z.B 10M) funktioniert die Schaltung mit grosseren nicht.

Autor: Jens G. (jensig)
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Du hast 100pF direkt am Ausgang des OPV - kapazitive Lasten - das 
vertragen OPV's generell schlecht (bessert sich zu höheren eingestellten 
Verstärkungen hin).Da Du G=1 hast, wirste mit 100p schlechte Karten 
bezüglich Schwingneigung haben. Also weg damit (oder mache den hinter 
einen R, wenn Du unbedingt die Bandbreite begrenzen willst an der 
Stelle).
4Punkt-Messung brauchst Du übrigens überhaupt nicht, wenn das Meßobjekt 
nicht gerade extrem niederohmig wird, wo Leitungs/Kontakt-Widerstände 
bereits zu Fehlern führen könnten.

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Andrew Taylor wrote:

>
> Was Du benötigst (für Hochohmmessung) nennt man Guarding, das ist eine
> aktiv getriebene Abschirmung (getrieben durch die Meßschaltung).

Guarding habe ich auch berucksichtigt, das sieht man an Schaltung die 
ich oben gepostet habe, der Kontakt 8 an OP ist für Guarding vorgesehen!

> Weiterhin sind Dein Problem nicht die 10exp15 Ohm des OPV (die gibt'S
> nun wirklich an jeder Ecke), sondern deren Eingangsströme (die sollten
> im Femtoampere-Bereich sein).
Mit so grossen Widerstand konnte ich leider nicht finden, es wird meist 
nur gesagt dass Eingangswiderstand unendlich gross stimmt aber nicht!

> Meßspannung?
> Wenn egal, dann nimm 100 oder 250V DC. Dafür gibt's genug gängige
> Technik für wenige zig Euro zu kaufen.
So grosse Messspannung kann ich nicht verwenden das kann die Probe 
eventuell beschädigen und zweitens da ich auch Strom an äußern Kontakte 
über ein Curren PreAmplifier messe und für ihm wird zu viel!

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Alex Schmidt wrote:
> Ich messe schon mit Koaxialkabel,

Da nimmt man ja deshalb die  Triaxial Kabel.

Innenleiter = Signal
1. Schrim: Guard.
2. Schirm: der Schirm == Ground.

Koax ist schon mal schlecht bis ungeeignet für so was in dem 
Widerstandsbereich.

> es werden mit vier Spitzen die
> Shottky-Kontakten an einer Halbleiter-Probe konaktiert. Aber die
> Schaltung scheitert sogar wenn ich einfach 3 Widerstände je 1GOhm in
> Serie nehme und an äußeren Kontakten Spannung anlege und an inneren
> messe, eigentlich schlicht normale Spannungsteiler, mit kleineren
> Widerständen (z.B 10M) funktioniert die Schaltung mit grosseren nicht.

Wenn Die 100pF am Ausgang der OPV bleiben müssen, dann entkopple den 
Ausgang indem Du 100 Ohm unmittelbar in Serie mit dem Ausgang legst. 
Natürlich vor die Rückführung des OPV.

Autor: Jens G. (jensig)
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Achja, Du scheinst ja schon eine Art Guard-Leitung zu haben für die 
aktive Schirmung. Auch die bewirkt kapazitive Lasten. Die würde ich also 
nicht direkt anschließen, sondern ebenfalls über einen R (z.B. 
100-1000Ohm oder sowas)

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Jens G. wrote:
> Achja, Du scheinst ja schon eine Art Guard-Leitung zu haben für die
> aktive Schirmung. Auch die bewirkt kapazitive Lasten. Die würde ich als
> nicht direkt anschließen, sondern ebenfalls über einen R (z.B.
> 100-1000Ohm oder sowas)

Na ja, niederohmig muß der Guard schon angeschlossen werdne.
So 100 Ohm als Obergrenze.  10k macht wenig Sinn in der Realität.

Ggfs muß der Buffer das halt abkönnen ==> Bauteilewahl beachten.

Autor: oszi40 (Gast)
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Wenn ich oben lese, daß die Schaltung mit MOhm-Widerständen 
funktionierte, dann würde ich mal ganz fix die Koax-Kabel gegen ein 
KURZE Freiluftverdrahtung tauschen um die Kabelisolationswiderstände und 
Kapazitäten auszuschließen. Nächste Aktion wäre Einganspin in die Luft 
statt auf die Leiterplatte. Wenn es dann besser funktioniert weißt Du ja 
Bescheid.

Autor: Alex Schmidt (change18)
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oszi40 wrote:
 Nächste Aktion wäre Einganspin in die Luft
> statt auf die Leiterplatte. Wenn es dann besser funktioniert weißt Du ja
Ne es spielt kaum 'ne Rolle ob ich Schirmung von Koaxialkabel anschließe 
oder nicht!

Autor: faraday (Gast)
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>dass wenn ich Eingang direkt mit Spannungsquelle verbinde
>funktioniert alles einwandfrei, und wenn über den Widerstand gemessen
>wird funktioniert widerum nicht

nur nochmal zur Sicherheit:
der OPV braucht einen dc-Pfad vom Eingang zu GND, wo die 100fA abfließen 
können, sonst läuft er an die Begrenzung.
Zeichne doch mal die komplette Schaltung auf.

Autor: Jens G. (jensig)
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@faraday
>nur nochmal zur Sicherheit:
>der OPV braucht einen dc-Pfad vom Eingang zu GND, wo die 100fA abfließen
>können, sonst läuft er an die Begrenzung.
>Zeichne doch mal die komplette Schaltung auf.

Den DC-Pfad bekommt er doch über die gemessenen R's, die er als 
Sppannungsteiler schalten wollte zw. zwei Spannungen.

@Andrew Taylor (marsufant)

>Na ja, niederohmig muß der Guard schon angeschlossen werdne.
>So 100 Ohm als Obergrenze.  10k macht wenig Sinn in der Realität.

jo - da hatte ich irgendwie noch etwas nachgezittert beim Einhämmern der 
Nullen - sollten eigentlich 1k hätten werden sollen.

Autor: faraday (Gast)
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>Den DC-Pfad bekommt er doch über die gemessenen R's, die er als
>Sppannungsteiler schalten wollte zw. zwei Spannungen.
 das hoffe ich. Vielleicht hängt der Spannungsteiler auch irgendwo in 
der Luft. War ja nur eine Anmerkung.

Alex teste doch mal, bis wieviel Megaohm das Teil richtig funktioniert.

Autor: Jens G. (jensig)
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Dann würde es aber bei Megaohms oder weniger auch nicht gehen, wenn der 
Spannungsteiler in der Luft hängen würde.

Autor: oszi40 (Gast)
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@faraday: Ob 10 MOhm oder 17,1234567 MOhm ist eigentlich egal. Wenn die 
Leiterplattenisolation zu schlecht ist, wird er niiiie 10^15 erreichen.

Es reichen schon wenige Flussmittelreste am IC. In GOhm-Bereichen was 
Gescheites dauerhaft aufzubauen erfordert Erfahrung und viel Glück.

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Nö, es hangt nicht in der Luft, sonst konnte ich überhaupt kein 
Widerstand messen, ich defeniere GND beim anschließen der Widerstände!

Autor: Alex Schmidt (change18)
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vielleicht liegt einfach an falschem OP, weisst jemand irgendwelcher OP 
mit Eingangswiderstand im bereich von 10^14 bis 10^15 Ohm? Ich hab 
nichts außer AD549 gefunden!

Autor: hmm (Gast)
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Da gibt's doch einige in der Naehe ... LMC6001, LPC661, LMC6482,

Autor: oszi40 (Gast)
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Man könntE ja mal eine Gegenprobe mit einem normalen MOSFET machen.
Gate nicht auf Leiterplatte löten wegen Luftisolation.
Auge ins Datenblatt. 10^12 bis 10^15 je nach Schutzschaltung auch 
weniger.

Jedenfalls würde ich den "Eingangbereich" wartungfreundlich gestalten, 
damit man schnell die durch statische Aufladunng zu beklagenden 
MOS-Opfer auswechseln kann.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Kann jemand was zur Schaltung sagen, was da falsch für hochresistive
> Messung ist? Oder weisst jemand besseres OP für dieser Zweck?

Darf es auch ein einfacher Differenzverstärker sein?

Die Differenzverstärker von TI
(z. B. INA116, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina116.pdf)
haben hohe Eingangswiderstände, geringe Leckströme. Sie haben außerdem 
schon Guard-Anschlüsse integriert, d. h. darum mußt Du Dich nicht extra 
kümmern.

Gruß,
  Michael

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Michael Lenz wrote:
>> Kann jemand was zur Schaltung sagen, was da falsch für hochresistive
>> Messung ist? Oder weisst jemand besseres OP für dieser Zweck?
>
> Darf es auch ein einfacher Differenzverstärker sein?
>
> Die Differenzverstärker von TI
> (z. B. INA116, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina116.pdf)
> haben hohe Eingangswiderstände, geringe Leckströme. Sie haben außerdem
> schon Guard-Anschlüsse integriert, d. h. darum mußt Du Dich nicht extra
> kümmern.
>
> Gruß,
>   Michael

Ja der Eingangwiderstand ist so wie ich brauche, aber ich glaube nicht 
das ich dieser für Impedanzwandler verwenden kann, mindestens von innere 
Aufbau ich sehe keine Möglichkeit!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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> Ja der Eingangwiderstand ist so wie ich brauche, aber ich glaube nicht
> das ich dieser für Impedanzwandler verwenden kann, mindestens von innere
> Aufbau ich sehe keine Möglichkeit!

Ein Impedanzwandler ist eine Verstärkerschaltung mit dem 
Verstärkungsfaktor eins. Das kannst Du auch mit dem INA116 realisieren.

1. Eingang:   Signalspannung
2. Eingang:   Masse
Rückkopplung: offenlassen für Verstärkungsfaktor 1

Gruß,
  Michael

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Michael Lenz wrote:

> Ein Impedanzwandler ist eine Verstärkerschaltung mit dem
> Verstärkungsfaktor eins. Das kannst Du auch mit dem INA116 realisieren.
>
> 1. Eingang:   Signalspannung
> 2. Eingang:   Masse
> Rückkopplung: offenlassen für Verstärkungsfaktor 1

Aber Verstärkung 1 kriegst auch wenn du gleiche Widerstände am Eingang 
und Rückkoplung stellst, aber das ist noch kein Impedanzwandler, deshalb 
bin ich da nicht ganz sicher!

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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>> Ein Impedanzwandler ist eine Verstärkerschaltung mit dem
>> Verstärkungsfaktor eins. Das kannst Du auch mit dem INA116 realisieren.
>>
>> 1. Eingang:   Signalspannung
>> 2. Eingang:   Masse
>> Rückkopplung: offenlassen für Verstärkungsfaktor 1
>
> Aber Verstärkung 1 kriegst auch wenn du gleiche Widerstände am Eingang
> und Rückkoplung stellst, aber das ist noch kein Impedanzwandler, deshalb
> bin ich da nicht ganz sicher!
Den Impedanzwandler zeichnet ein hochohmiger Eingangswiderstand und ein 
niederohmiger Ausgangswiderstand aus. Genau das macht der INA.
Die invertierende Verstärkerschaltung mit dem OPV, die Du wahrscheinlich 
meinst, hat einen Eingangswiderstand R1 (von der Quelle zum -Eingang) 
und einen Verstärkungsfaktor von -1.

Und jetzt will ich wissen, was das Ganze werden soll. Wie soll man Dir 
denn helfen, wenn Du das Problem nicht verrätst? Ich bin sicher nicht 
der einzige, der das Gefühl hat, daß an Deinem Konzept noch einiges zu 
verbessern ist.


Gruß,
  Michael

Autor: Alex Schmidt (change18)
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Michael Lenz wrote:

> Und jetzt will ich wissen, was das Ganze werden soll. Wie soll man Dir
> denn helfen, wenn Du das Problem nicht verrätst? Ich bin sicher nicht
> der einzige, der das Gefühl hat, daß an Deinem Konzept noch einiges zu
> verbessern ist.
Ich hab das schon oben beschrieben dass ich das ganze für 4 Punktmessung 
von Halbleiterprobe brauche! im zweiten Bild ist das ganze 
dargestellt!!!

siehe Datum: 29.04.2009 13:40 und Datum: 29.04.2009 14:12

Autor: hmm (Gast)
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... eine Vierleitermessung ? ok ... mach mal.

Autor: faraday (Gast)
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>Nö, es hangt nicht in der Luft, sonst konnte ich überhaupt kein
>Widerstand messen, ich defeniere GND beim anschließen der Widerstände!

ja OK, manchmal vergißt man sowas auch. War ja auch keine Kritik.
Aber was mich interessieren würde: wieweit geht denn nun die Schaltung? 
Damit man mal die Größenordnung des Problems abschätzen kann. Schafft 
sie 1Giga?

Und was immer hilft ist der Plan der Gesamtschaltung. Da sind oft 
Kleinigkeiten, die man so nicht sieht.

Autor: Alex Schmidt (change18)
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faraday wrote:
>>Nö, es hangt nicht in der Luft, sonst konnte ich überhaupt kein
>>Widerstand messen, ich defeniere GND beim anschließen der Widerstände!
>
> ja OK, manchmal vergißt man sowas auch. War ja auch keine Kritik.
> Aber was mich interessieren würde: wieweit geht denn nun die Schaltung?
> Damit man mal die Größenordnung des Problems abschätzen kann. Schafft
> sie 1Giga?
>
> Und was immer hilft ist der Plan der Gesamtschaltung. Da sind oft
> Kleinigkeiten, die man so nicht sieht.

1GOhm schaft die Schaltung nicht! Und was meinst du mit Gesamtschaltung, 
die obere Bild hab ich mit Eagl gemacht, und  automatisch Layout 
generiert, mehr habe ich nicht gemacht!

Autor: faraday (Gast)
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>Und was meinst du mit Gesamtschaltung,

ich meine wo die Widerstände wirklich sitzen, vor allem 
Masseverbindungen,  und vielleicht auch mal kurz was zur 
Versorgungsspannung.

Autor: faraday (Gast)
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irgendwie verstehe ich das Konzept nicht:
Du hast eine hochohmige Halbleiterprobe und willst den R messen. Dazu 
legst Du eine bekannte, konstante Spannung (über Meßspitzen) an. Kannst 
Du den Strom messen? Wenn ja, hast Du doch den Widerstand. Wenn nein, 
kannst Du mit Spannungsmessungen doch nur das R-Verhältnis und nicht den 
R selbst ermitteln. Oder verstehe ich das falsch?

Autor: hmm (Gast)
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>irgendwie verstehe ich das Konzept nicht...

ist doch egal - machen lassen. Nachher noch eine Fehlerrechnung wie 
ueblich.

Autor: Helmut (Gast)
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Hallo,

das ganz oben angegegebene Messverfahren mit den 4 Punkten ist schon OK.
Das ist das Standardverfahren um Flächenwiderstände zu messen.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Alex Schmidt wrote:

> die obere Bild hab ich mit Eagl gemacht, und  automatisch Layout
> generiert, mehr habe ich nicht gemacht!

Ok, also Autorouter?
Dann zeig uns Schaltplan UND Layout (als PNG) sowie ein Foto vom Aufbau 
(als JPG).

Autor: faraday (Gast)
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habe mal gegurgelt:
also I ist bekannt und U soll irgendwo dazwischen gemessen werden.
Da würde sich doch der INA116 von Michael anbieten. Damit kannst Du dann 
überall "masse-unabhängig" messen.

Autor: Toll (Gast)
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Zeit fürs Popcorn!

> Widerstände bis 50-100 GOhm messen
> Autorouter

Autor: Jens G. (jensig)
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also vielleicht habe ich es auch schon überlesen: hast Du inzwischen die 
blöden C's an den Ausgängen rausgeschmissen?

Wenn Di unterscheidliche R's messen willst, stellt sich das Problem mit 
zunehmendem R langsam ein (also z.B. mit zunehmendem R zunehmender 
Meßfehler)? Oder ist ab einem bestimmten R plötzlich der Fehler massiv 
vorhanden? In ersterem Fall würde ich auf Leckströme tippen (also 
Eingänge als reine Luftverdrahtung ausführen), im zweiten Fall auf 
Schwingungen (wegen der C's am Ausgang - mit Oszi nachweisen).

Autor: faraday (Gast)
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wie werden eigentlich die 3fA vom INA gemessen? 3pA sind doch schon 
wenig.

Autor: hmm (Gast)
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> wie werden eigentlich die 3fA vom INA gemessen ?

Abends wenn das Gebaeude leer ist, stellt man das Popcorn in die Ecke, 
laedt einen 1pF auf ein paar Volt und laesst den ueber den Eingang 
entladen. Die Spannung sollte dann mit 3mV/s entladen. Dabei muss man 
natuerlich den Atem anhalten, resp nicht auf die Anordnung hauchen und 
dergleichen.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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hmm wrote:
>> wie werden eigentlich die 3fA vom INA gemessen ?
>
> Abends wenn das Gebaeude leer ist, stellt man das Popcorn in die Ecke,
> laedt einen 1pF auf ein paar Volt und laesst den ueber den Eingang
> entladen. Die Spannung sollte dann mit 3mV/s entladen.


Oder eben mit 3mV/s aufgeladen.

Oder irgendwelche Werte dazwischen.

Der Bias kann lt. Datenblatt sowohl negatives als auch positives 
Vorzeichen haben ;-)

> Dabei muss man
> natuerlich den Atem anhalten, resp nicht auf die Anordnung hauchen und
> dergleichen.

Nett.

Autor: Arno (Gast)
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Für das Drumherum bei solchen Messungen gibts das "Low Level Measurement 
Handbook" von Keithley. Interessante Lektüre.

Arno

Autor: Arc Net (arc)
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faraday wrote:
> wie werden eigentlich die 3fA vom INA gemessen? 3pA sind doch schon
> wenig.

Bob Pease hat da immer ein paar wirklich gute Tips.
http://www.national.com/rap/Story/0,1562,4,00.html
http://www.national.com/rap/Story/0,1562,5,00.html

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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>> Und jetzt will ich wissen, was das Ganze werden soll. Wie soll man Dir
>> denn helfen, wenn Du das Problem nicht verrätst? Ich bin sicher nicht
>> der einzige, der das Gefühl hat, daß an Deinem Konzept noch einiges zu
>> verbessern ist.
> Ich hab das schon oben beschrieben dass ich das ganze für 4 Punktmessung
> von Halbleiterprobe brauche! im zweiten Bild ist das ganze
> dargestellt!!!
> siehe Datum: 29.04.2009 13:40 und Datum: 29.04.2009 14:12

Dann nimm den INA116. Der ist exakt dafür ausgelegt, hochohmig 
Differenzspannungen zu messen. Insbesondere brauchst Du keinen 
Massebezug.
Ich hatte in der Schaltung die Stromquelle vermißt und mich gewundert, 
daß Du nicht gleich "hurra" schreist beim Anblick des INA.

Gruß,
  Michael

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