Hallo,
ich möchte mir ein Sensorsignal über die Zeit ansehen. Der Sensor
liefert ca. +/- 1,5mV maximal. Ich würde gerne auf ca. 700nV stabil
auflösen können. Diese 700nV sollen am Ausgang des Verstärkers dann 1mV
für die nachfolgende Datenerfassung ergeben. Es sind nicht mehr als
einige wenige Hz an Bandbreite erforderlich und die 700nV müssen auch
nicht absolut gemessen werden, sondern nur relativ zum Beginn der
Messung die aber einige Stunden laufen kann.
Normalerweise würde man hierbei wohl einen Auto-Zero OP verwenden dessen
Eingangs Offsetdrift ja locker unter den 700nV liegen kann. Zudem hat
man bei diesen OPs noch Vorteile beim 1/f Rauschen.
Das Problem ist aber, dass der Sensor eine Ausgangsimpedanz von ca. 70k
hat. Somit erzeugen 10pA Eingangsstrom bereits einen Fehler, der so groß
ist wie die von mir angestrebte Auflösung. Bisher habe ich leider keinen
OP gefunden, der nicht entweder durch seine Eingangsoffsetspannung (kein
Auto-Zero) die Messung kaputt machen würde oder durch seinen
Eingangsstrom (bei allen bisher gefundenen Auto-Zero).
Mein erster Ansatz wäre gewesen den OP als Transimpedanzverstärker zu
schalten mit 100Meg in der Rückkopplung.
Zusammengefasst heißt das für die Eingangsstufe (muss ja nicht ein
einzelner OP sein):
- << 10pA Eingangsstrom (bzw. eine Drift dessen die kleiner ist als
10pA)
- << 700nV Offsetspannung (auch hier reicht eine kleinere Drift)
- << 700nVpp Noise im Bereich bis sagen wir mal 5Hz
Bin ich bisher nur nicht fündig geworden oder gibt es so einen OP
tatsächlich nicht?
Viele Grüße
Nicht zu vergessen sind Thermospannungen zB Chromel/Alumel 40uV/K,
andere Metalle koennen weniger haben. Das bedeutet die Anordnung muss
praezise temperaturstabilisiert sein, auf besser als 0.01K
Was fuer ein Sensor soll das sein ? Allenfalls waere eine andere
Mess-Anordnung wie ein simpler OpAmp passender.
In Frage kommen hier wohl gute Auto Zero OPs oder halt JFET Verstärker
(also OP oder ggf. auch diskret aufgebaut).
Die low noise AZ Ops haben zwar ggf. einen Bias Strom im Bereich 100 pA,
allerdings ist der meist relativ konstant. Trotzdem ist es schon eine
Herausforderung, zumal man da ggf. auch noch einiges an Stromrauschen
haben kann. Analog devices hat da ein paar die passen könnten.
Auch gute JFET Verstärker können gehen. Als OP etwa der OPA140. Man hat
weniger Rauschen, dafür aber halt 1/f rauschen - es kommt halt auch auf
die untere Grenzfrequenz an.
Diskret aufgebaut ist leider auch nicht trivial, weil man sich leicht
thermische Effekte einfängt und Leckströme kommen ggf. auch den pA
Bereich.
Lurchi schrieb:> dafür aber halt 1/f rauschen - es kommt halt auch auf> die untere Grenzfrequenz an.
folgender Satz klingt für mich, als würde die im µHz-Bereich liegen:
Phil schrieb:> sondern nur relativ zum Beginn der> Messung die aber einige Stunden laufen kann.
Und folgendes wäre - sofern irgendwie realisierbar - auch meine erste
Option:
Siebzehn F. schrieb:> Moeglicherweise laesst sich der Sensor mit einem Lock-in betreiben.
Phil schrieb:> Diese 700nV sollen am Ausgang des Verstärkers dann 1mV> für die nachfolgende Datenerfassung ergeben. Es sind nicht mehr als> einige wenige Hz an Bandbreite erforderlich
Nicht nur die Bandbreite ist interessant. Ganz entscheidend ist die
Frequenz deines Signals. Ganz entscheidend einfacher wäre es, wenn dein
Signal nicht bei 0Hz, sondern im kHz-Bereich liegt.
Achim S. schrieb:> folgender Satz klingt für mich, als würde die im µHz-Bereich liegen:>> Phil schrieb:>> sondern nur relativ zum Beginn der>> Messung die aber einige Stunden laufen kann.Wolfgang schrieb:> Ganz entscheidend ist die> Frequenz deines Signals.
Das Signal ist leider DC und soll über einige Stunden beobachtet werden.
Dabei sollte alle paar Sekunden ein Messwwert aufgenommen werden.
Leider kann man den Sensor nicht modulieren um ihn in einen Lock-In
Aufbau zu integrieren.
Aber könnte man nicht den Eingang der Schaltung vor jeder Messung gegen
GND schalten? Machen die hochauflösenden Multimeter nicht auch sowas?
Die haben ja auch 10Giga Eingangswiderstand (wären ja bei 1mV nur 100fA)
und lösen im mV Bereich auch weniger als 700nV auf.
Philipp C. schrieb:> Wie wäre es mit ADA4530-1?
Bis auf Noise scheint der ja doch alles zu erfüllen.
Siebzehn F. schrieb:> Nicht zu vergessen sind Thermospannungen
Ja, denen hatte ich noch gar keine große Beachtung geschenkt, aber wenn
da tatsächlich zweistellige µV zu erwarten sind, dann kann das durchaus
ein Problem werden.
Phil schrieb:> Das Signal ist leider DC und soll über einige Stunden beobachtet werden.> Dabei sollte alle paar Sekunden ein Messwwert aufgenommen werden.>> Leider kann man den Sensor nicht modulieren um ihn in einen Lock-In> Aufbau zu integrieren.
Ist der Sensor geheim? Muss das Signal aufbereitet werden oder reicht
auch ein passender ADC?
> Aber könnte man nicht den Eingang der Schaltung vor jeder Messung gegen> GND schalten? Machen die hochauflösenden Multimeter nicht auch sowas?> Die haben ja auch 10Giga Eingangswiderstand (wären ja bei 1mV nur 100fA)> und lösen im mV Bereich auch weniger als 700nV auf.
CDS Correlated-Double-Sampling
http://www.cypress.com/file/119666/download
Arc N. schrieb:> Ist der Sensor geheim?
Leider kann ich über den Sensor vor der ersten Publikation noch nichts
weiter verraten. Sorry. Die Messgröße führt aber direkt zu dieser
Spannung und an diese kommt man wiederum nur so hochohmig ran. Der
Sensor ist aber zum einen zu langsam und zum anderen gibt es die
Anwendung auch nicht her den Sensor mit der Messgröße zu modulieren.
Arc N. schrieb:> Muss das Signal aufbereitet werden oder reicht> auch ein passender ADC?
Wenn man das mit einem ADC hinbekommt würde auch dieser reichen.
Eigentlich würde ich zwar gerne an ein bestehendes Datensystem gehen und
dafür 1mV haben, aber wenn der ADC es vereinfacht wäre das auch ok.
Meine bisherigen Erfahrungen mit ADCs waren bisher aber so, dass man
denen schon eine niederohmige Quelle anbieten muss, wenn man will, dass
es funktioniert.
Arc N. schrieb:> CDS Correlated-Double-Sampling> http://www.cypress.com/file/119666/download
Ist das nicht letztendlich sowas wie Auto-Zero beim Multimeter? Dafür
müsste ich dann meinen Verstärker Eingang auf etwas umschalten können,
das den gleichen Noise hat, aber nicht das Signal beinhaltet oder habe
ich das falsch verstanden?
Phil schrieb:> Leider kann ich über den Sensor vor der ersten Publikation noch nichts> weiter verraten.
Dann ist eine sinnvolle Hilfe zur Lösung kaum möglich.
Harald W. schrieb:> Dann ist eine sinnvolle Hilfe zur Lösung kaum möglich.
Es ist schade, wenn Du es so siehst. Aber Keithley baut ja z.B. auch
Elektrometer und verkauft diese ohne, das die Kunden ihr Problem beim
Messen einer kleinen Spannung mit hoher Impedanz genau darlegen müssen.
Ich sehe auch ein, dass man sicher besser mit mehr Informationen an der
Lösung des Problems arbeiten könnte, aber die Entscheidung liegt leider
nicht allein bei mir. Und ich bin sehr dankbar, dass es hier so viele
Leute gibt die trotzdem versuchen einem zu helfen.
Phil schrieb:> Wenn man das mit einem ADC hinbekommt würde auch dieser reichen.> Eigentlich würde ich zwar gerne an ein bestehendes Datensystem gehen und> dafür 1mV haben, aber wenn der ADC es vereinfacht wäre das auch ok.> Meine bisherigen Erfahrungen mit ADCs waren bisher aber so, dass man> denen schon eine niederohmige Quelle anbieten muss, wenn man will, dass> es funktioniert.
Hängt vom ADC ab... Es gibt div. Delta-Sigmal-Wandler mit genügend hohem
Eingangswiderstand.
> Ist das nicht letztendlich sowas wie Auto-Zero beim Multimeter? Dafür> müsste ich dann meinen Verstärker Eingang auf etwas umschalten können,> das den gleichen Noise hat, aber nicht das Signal beinhaltet oder habe> ich das falsch verstanden?
Nicht das gleiche Rauschen...
Siehe Anhang oder die Beschreibung von Cypress (andere als die von oben,
mit einem Thermoelement als Beispiel)
http://www.cypress.com/file/126666/download
>Das Problem ist aber, dass der Sensor eine Ausgangsimpedanz von ca. 70k>hat. Somit erzeugen 10pA Eingangsstrom bereits einen Fehler, der so groß>ist wie die von mir angestrebte Auflösung. Bisher habe ich leider keinen
Der eingeprägte Offeset-Fehler ist egal - Du hattest doch geschrieben,
daß Dir auch Relativmessungen reichen.
Schlimmer wäre dagegen dessen Temperaturabhängigkit.
Letztendlich ist der Fehler und dessen Temperaturgang aber (theoretisch)
wieder Null, wenn man beide Eingänge so beschaltet, daß beide 70k sehen.
Hängt der Sensor also am nichtinvertierenden Eingang, dann beschaltet
man das Rückkoppelnetzwerk so, daß der invertierende Eingang auch 70k
sieht. Dadurch sehen beide denselben Offset, der sich aber durch die
Gleichtaktunterdrückung des OPV am Ausgang aufhebt.
Jens G. schrieb:> Der eingeprägte Offeset-Fehler ist egal - Du hattest doch geschrieben,> daß Dir auch Relativmessungen reichen.> Schlimmer wäre dagegen dessen Temperaturabhängigkit.> Letztendlich ist der Fehler und dessen Temperaturgang aber (theoretisch)> wieder Null, wenn man beide Eingänge so beschaltet, daß beide 70k sehen.
Das gilt doch aber nur für den Bias oder? Wenn sich der Offset ändert,
dann nützen mir die 70k im anderen Zweig auch wieder nichts. Und mein
Problem mit dem Offsetdrift bleibt leider auch.
Solange alle Fehler stehen bleiben wären sie mir tatsächlich egal.
Arc N. schrieb:> Siehe Anhang
Ist denn sichergestellt, dass ein OP mit ebenfalls 70k in die gleiche
Richtung driften wird? Wenn dem so ist, dann wäre das natürlich ein
super Option mit dem zweiten Op, der einfach auch 70k an den Eingang
bekommt.
Arc N. schrieb:> http://www.cypress.com/file/126666/download
Figure 5 sieht ja zum Beispiel so aus, als würde es reichen einmal den
Fußpunkt des Thermoelementes zu messen und diese Messung von der Messung
am Thermoelement selbst abzuziehen. Aber ich werde das Ding mal richtig
lesen. Irgendwie sieht es auf den ersten Blick komplizierter aus als ich
es mir gerade vorstelle.
Was verwendet man da eigentlich am besten als Schalter? Dieser darf ja
keine weiteren Fehler hinzufügen weil diese ja nicht mehr kompensiert
werden.
Das Ganze hat mich doch nicht mehr losgelassen :)
Aus dem Grund habe ich mal eben einen kurzen Versuchsaufbau mit meinem
HP3456A gemacht. Einfach 68k direkt an den Eingang geklemmt und dann mit
100G vom + Eingang zum DC Standard (hier hätte es aber auch jede andere
Spannungsquelle getan). Mit diesem Spannungsteiler macht 1V am DC
Standard etwa die gesuchten 700nV am Multimeter und gleichzeitig hat es
auch die ca. 70k Impedanz.
Im Anhang sieht man wie stabil das 3456A die Spannung misst. Bei etwa
3200s habe ich dann für eine Weile die Spannung um 1V erhöht und später
wieder zurückgestellt.
Die ganze Sache hier scheint also wirklich nicht unmöglich zu sein.
Wenn man nur alle paar Sekunden einen Messwert braucht, hat man als
obere Grenzfrequenz auch nur irgendwas um 1 Hz oder sogar weniger, nicht
5 Hz. Das kommt AZ OPs sehr entgegen. Das gibt es auch einige (z.B.
AD8551, LTC1050) mit typisch etwa 1-2 pA an Bias Strom - bei 1 Hz
Bandbreite hat man dann auch kein so großes Problem mit dem Rauschen.
Da es nur auf die Dirft des Eingangsstromes ankommt, weniger auf den
absoluten Wert kann man vermutlich auch noch 10 pA oder sogar noch etwas
mehr an Bias verkraften.
>Das gilt doch aber nur für den Bias oder? Wenn sich der Offset ändert,>dann nützen mir die 70k im anderen Zweig auch wieder nichts. Und mein>Problem mit dem Offsetdrift bleibt leider auch.
Mit Offset meinte ich nur den durch den Biasstrom verursachten Offset.
Der löscht sich auf diese Art und Weise wie auch dessen
Temperaturabhängig weitgehend aus.
Phil schrieb:> Arc N. schrieb:>> Siehe Anhang>> Ist denn sichergestellt, dass ein OP mit ebenfalls 70k in die gleiche> Richtung driften wird? Wenn dem so ist, dann wäre das natürlich ein> super Option mit dem zweiten Op, der einfach auch 70k an den Eingang> bekommt.
Bei der Schaltung in LTSpice war ich zu faul und habe da nicht extra
einen Multiplexer (2:1) aufgebaut.
In einer realen Schaltung wäre nur ein OpAmp und vor dessen Eingang ein
Multiplexer, der abwechselnd das Signal und das Vergleichssignal anlegt.
> Was verwendet man da eigentlich am besten als Schalter? Dieser darf ja> keine weiteren Fehler hinzufügen weil diese ja nicht mehr kompensiert> werden.
Rechnen...
http://www.analog.com/media/en/training-seminars/tutorials/MT-088.pdf
und
http://www.ti.com/lit/an/sboa054/sboa054.pdf
Die Gleichungen werden zwar etwas länger...
Und bei der Gelegenheit auch die Fehler durch etwaige Eingangsfilter
berücksichtigen
Die Idee mit dem CDS ist ähnlich der Funktion der Autozero Verstärker.
Das muss man sich mit den Schaltern schon anstrengen um mit dem
Eingangsstrom in den pA Bereich kommt. Fertige AZ OPs sind da der
eindeutig einfachere Weg.
Hmm, im Prinzip ist es ja genau wie Lurchi sagt.
Ist es dann womöglich auch besser den AZ OP direkt mit dem + Eingang an
den Sensor zu schalten und nicht in der Schaltung als
Transimpedanzverstärker?
Den AZ Verstärker sollte man schon als normalen nicht invertierenden
Verstärker nutzen. Also das Signal direkt an den (+) Eingang, ggf. noch
einen Kondensator nach Masse dazu und ggf. eine Ferriteperle zum Signal,
wenn man HF Störungen hat.
Bei dem Kondensator muss man dann aber auch schauen, dass es da nicht
leckt. Bei 700nV an 70k machen ja 10pA bereits Ärger.
@Lurchi: Warum ist diese Konfiguration eigentlich Deiner Meinung nach
besser? Wenn er es als Transimpedanzverstärker betreibt, dann ist
wenigstens die CommonMode-Spannung immer konstant.
Bin gespannt was hier rauskommt :) Habe gerade ein sehr ähnliches
Problem.
