Hallo, ich bin gerade dabei einen I-U-Wandler 1nA=>1V zu basteln. Das Ganze sieht so aus, dass ich eine Nanopore in Flüssigkeit habe mit einem Widerstand von ca 10M bis 50MOhm, daran lege ich 100mV und somit erhalte ich einen Strom von ca. 10nA. Wenn nun Nanopartikel durch diese Pore gehen, schwankt der Strom um mehrere 10pA, das versuche ich zu detektieren. Als einfachste Variante ist mir der klassische I-U-Wandler eingefallen mit einem Shunt von 1G Ohm siehe Anhang "Schaltung". Mein momentanes Problem stellt die zu niedrige Grenzfrequenz ca. 1kHz dar siehe Anhang "Grenzfrequenzen" (bei einem Shunt von 1GOhm und Probenwiderstand 47MOhm. Der verwendete IC AD8627 hat laut Datenblatt ein GainBandwidthProduct von 5Mhz. Dieses erreiche ich auch ohne Probleme mit 10k Shunt und 10k Probenwiderstand. Bei 100M Shunt und 100M Probe liegt die Grenzfrequenz nur noch bei 150kHz. Als Vermutung hätte ich, dass es parallel zum Shunt noch ein eine kleine parasiätre Kapazität gibt. Dann wär die Schaltung wie ein aktiver Tiefpass. Und für eine Grenzfrequenz von 1kHz bräuchte ich bei einem Probenwiderstand von 47M Ohm und einem Shunt von 1G Ohm auch bloß 3pF. Allerdings verändert sich diese nicht, wenn ich einen 100M Ohm Probenwiderstand verwende. Was bei meiner "aktivenTiefpasstheorie" die Grenzfrequenz halbieren müsste. Ich bin somit ziemlich Ratlos und wäre für evtl Erklärungen oder Schaltungsverbesserungen sehr dankbar.
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Trag Dir mal die Differenzen zwischen 1G-47 und 1G-100, sowie 100-47 und 100-100 auf. Mir scheint, daß die relative Grenzfrequenz sich um einen Faktor von 2 ändert.
Wahrscheinlich ist das falsch, aber was würde denn eine serieninduktivität am Probenwiderstand machen? Man kann sowas auch schön simulieren, bin nur grad zu faul.
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Vielen Dank für die Ideen, Das mit den Differenzen muss ich noch mal nachgehen. So etwas ähnliches wie mit einer seriellen Induktion im Probenwiderstand hab ich schon mal getestet. Dabei ging es um den generellen Einfluss der Kabellänge zwischen Probe und OPV. Die Schlaufe im Kabel wäre eine Induktion. Allerding sind auch hier die Ergebnisse etwas widersprüchlich.
Du hast die parasitäre Kapazität falsch eingezeichnet! Die sitzt vom "-" Eingang des OPamp nach Masse und kann je nach Aufbau und OPamp etliche pF annehmen. Dazu kommen noch die parasitären Kapazitäten parallel zu jedem Widerstand, die ebenfalls erheblich die Impedanz bei hohen Frequenzen beinflussen können. 0,3pF und 100M ergeben eine Grenzfrequenz von um die 5kHz!!! Die nicht berücksichtigte Streukapazität am "-" Eingang drückt die Grenzfrequenz sogar unter 1KHz. Die ganzen Streukapazitäten lassen sich nur teilweise kompensieren, mit einem sehr sorgfältig zu bestimmenden Kondensator zwischen "-" Eingang und Ausgang des OPamp. Aber diese Kompensation gilt immer nur für einen ganz bestimmten Aufbau und eine ganz bestimmte Widerstandswahl. Änderst du einen Widerstand ist die Kompensation für die Katz. Die falsche Kompensation äußert sich genau so, wie in deinen Bildchen, nämlich mit einer Abweichung von der geraden Linie. Dazu kommt, daß extrem hochohmige Widerstände sehr unlinear sein können. Für Präzisionsmessungen also eher ungeeignet. Kai Klaas
Vielen Dank für deinen Hinweis mit der Kompensation der Streukapazitäten, dazu hab ich im Datenblatt vom LMC660 jetzt auch schon ein paar nützliche Regeln für die größe der Korrekturkapazität gefunden. Die parasitäre Kapazität hatte ich oben so eingezeichnet, weil ich mir nur so die Reduzierung der Grenzfrequenz eben als aktiven Tiefpass vorstellen kann. Eine Kapazität am Eingang gegen Ground wäre ein Tiefpass für das einlaufende Signal allerdings würde das rückgekoppelte Signal vom Ausgang ebenfalls einen Tiefpass sehen und somit müsste das Ausgangssignal mit zunehmender Frequenz steigen um die Spannung am invertierenden Eingang auf null zu halten. Sprich ist der Shunt größer als der Probenwiderstand, dann müsste die Verstärkung mit zunahme der Frequenz steigen. Oder hab ich da nen Knoten im Kopf Der Widerstand muss leider so hoch sein, damit ich 1V/nA erhalte. Ich habe auch schon Spannungsteiler ausprobiert allerding Steigt mit denen auch das Offset um den Faktor und irgendwie das Rauschen lag aber evtl auch am Aufbau.
Ganz so hoch muß man die Widerstände nicht machen. Normalerweise reicht es wenn die Spannung an dem Widerstand auf Grund des hinterdrundstromes (hier wohl 10 nA) bei über 100 mV liegt. Ab etwa 100 mV am Ausgang dominiert das Schrotrauschen durch die Ladungsquantisierung, weiter runter muß man mit den anderen Rauschquellen (Rauschen am Widestand) dann auch nicht mehr. Bei 10 nA an Strom sollten also 10 M als Widerstand ausreichen. Wenn man mehr Amplitude haben will, dann kommt eine extra Verstärkungsstufe dahinter. Für die Kompensation sollte das RC Produkt für die Probe mit den Parasitären Kapazitäten gegen Masse und den "Shunt" in etwa gleich sein. Die Kapazität vom Inv. Eingang nach GND macht vor allem die Rückkopplung instabil. Im ungünstigstigen Fall fängt der OP an zu schwingen. Bevor es dann schwingt hat man auch eine Amplitudenüberhöhung zu höheren Frequenzen.
http://www.national.com/rap/ What's All This Femtoampere Stuff, Anyhow? http://www.national.com/rap/Story/0,1562,5,00.html What's All This Teflon Stuff, Anyhow? http://www.national.com/rap/Story/0,1562,4,00.html An (Baumwoll-)Handschuhe beim Aufbau denken.
Schau mal bei Keithley, nach Anmeldung gibts die Bücher auch als Papier: http://www.keithley.de/wb/201 Arno
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@Ulrich Vielen Dank für deine Ratschläge. 10nA sind so grob der Strom den ich messe. Wie du schreibst kommt man mit 10MOhm dann auf 100mV. Leider muss ich noch kleine Stromschwankungen die bei ca. 40pA liegen auflösen. Dazu hab ich mir eine Rauschgrenze von 1pA(rms) vorgestellt. Nun liegt mein Ausgangsrauschen immer bei ungefähr 0.7mV(rms) bei einem Shunt von 100MOhm und entspricht damit schon 70pA(rms). Bei 1GOhm liegt das Rauschen bei ca. 2mV(rms) was ja nur noch 2pA(rms) entsprechen würde, liegt aber evtl auch an der viel geringeren Bandbreite. Ich werde auf jeden Fall Ihren Vorschlag kommende Woche nochmal neu aufbauen, vielleicht lag es an der schon viel zu viel rumgelöteten alten Variante. @eProfi Auf den Beitrag "What's All This Femtoampere Stuff, Anyhow?" bin ich bei meinen Recherchen in der Tat schon mal gestoßen und war beim groben überfliegen der Meinung es ginge hier nur um kleine Fehlströme die eben die DC Messung verfäschen wenn man den Biasstrom misst. So direkte Lösungen für mein Bandbreitenproblem hatte ich dort nicht gefunden. Aber ich werde mir das jetzt doch noch mal genau zu Gemüte ziehen, scheinen mir doch allgemein sehr wertvolle Tipps zu sein. @Anor H. Das PDF zu "Keithley's Low Level Measurements Handbook" hab ich schon mal gelesen, da stand auch das mit der parallelen Kapazität zum Shunt. Stehen in den Versionen wenn man sich registriert eigentlich mehr? Ich hab auch die dort vorgeschlagene Lösung mit dem zusätzlichen Tiefpass vor dem Shunt (vom Op-Ausgang aus gesehen) mit der gleichen Grenzfrequenz probiert, der das kompensieren soll. Allerding brachte das nicht den erhofften Effekt (siehte Anhang). Deshalb hab ich die Kapazität oben zwischen -Eingang und Ausgang angenommen. Erklärung zum Anhang. Laut "Keithley's Low Level Measurements Handbook" wird die Bandbreite nur durch einen zum Shunt parallelen Widerstand begrenzt (nenne wir die Frequenz fg). Dies kann man mit einem Tiefpass mit der gleichen Grenzfrequenz fg vor dem Shunt (vom Op-Ausgang gesehen) kompensieren. Im Bild Rot die Grenzfrequenz des 1GohmShunt ohne kompensation Blau mit Kompensation die zur Grenzfrequenz von Rot passen sollte. Grün eine Kapazität so gewählt, dass das verhalten möglichst linear ist. Ergebnis: eine deutliche Erhöhung der Grenzfrequenz war so nicht möglich
Wenn man einen Strom von 10 nA hat, der nicht über irgendweche Quanteneffekte von einer korrelierten Elektronenbewegung bestimmt wird, hat man immer einen Rauschanteil, einfach durch die Ladungsquantisierung. Mit dem 10 Mohm Shunt sollte das Rauschen von Shunt schon etwa 4 mal kleiner sein als das Quatisierungsrauchen. Mit einem Größeren Shunt wird es mit der Wurzel des Widerstandes besser, aber das hift einem hier nichts. Wenn der OP nicht ganz falsch ist und die Kapazität am Eingang nicht zu groß ist, wird das Eigenraucehn des OPs ohenhin nochmal deutlich kleiner sein. Die Kapazität vom Eingang gegen Masse ist eine wesentliche Größe für die Auslegung des Verstärkers. Je kleiner desto besser, vor allem wenn es schnell werden soll. Wenn man mit den größeren Shunt weniger Rauschen sieht, dann ist das im wesentlichen die geringeren Bandbreite, denn die Haupt-Rauschquelle bleibt. Wenn man eine so hohe Bandbreite braucht, weil die Teilchen so schnell sind, kann es auch sein, dass man die Teilchen einfach auf diese Weise nicht zuverlässig detektieren kann. Dann muß man mehr Spannung anlegen oder die Geometrie verändern für ein bessere Signal-rauschverhältnis. Eine Interessante Quelle sind noch Apl. Notes zu Transimpedanzverstärkern für Photodioden. Eine gute Wahl ist da die Kombination aus einem diskreten J-FET und eine OP wie in LT apll Note 399 beschrieben.
Oh ja, das Quantisierungsrauschen, damit hab ich ehrlich gesagt auch noch bisschen Schwierigkeiten. Dachte immer dass die Auflösung durch die größe eines Bits bestimmt wird. Beispiel: 1000 Quantisierungen bei Umax von 1 Volt folgt kleinstes Signal 1mV aber auf Wikipedia ist das mit dem Rauschen weng anders. Muss ich noch mal recherchieren. Abhilfe könnte ja dann auch ein Hochpass schaffen, damit ich nur die Peaks mit 40pA Spitze sehe und somit feiner Auflösen kann. Weiß von euch jmd gute Literatur zum Rauschen. Kann das Rauschen einer Quelle mit 10M niedriger als das thermische sein? Weil das würde hier ca 3pA rms betragen aber so ein Patchclamp-Verstärker meint er könnte 10nA auf 0.6pA rms genau messen. Hier hab ich auch noch Gutes/Intersantes zu meinem Thema auch J-FET und OP gefunden. http://electronicdesign.com/article/analog-and-mixed-signal/what-s-all-this-transimpedance-amplifier-stuff-any.aspx
hupps ganz wichtig, beim rauschen muss man ja immer die Bandbreite angeben, bei dem Patchclamp waren das 5kHz Bandbreite und auch die berechneten 3pA Rms rauschen beziehen sich auf diese Bandbreite
Das Quantisierungsrauschen bezieht sich hier bei einem kleinen Strom auf die Quatisierung der Ladung. Der Strom besteht halt aus einer endlichen Zahl von Elektronen. Beim einem Strom im pA Bereich sind das halt nur einige 10000 Elektronen in einer Millisekunde. In vielen Fällen fließen die Elektronen unkorreleiert und man änlich wie bei Zählexperimenten (z.B. Radioaktiver Zerfall) einen Unsicherheit mit der Wurzel der Anzahl. Auch wenn man hier nicht wirklich die Elektronen zählen kann, ist es nicht ohne weiteres möglich den Strom genauer zu messen, als man beim zählen wäre. Bei einer aktiven Quellen, also einem Schaltungsteil dem Energie zugeführt wird, kann das Rauschen kleiner sein als als der thermische Rauschen der extern sischtbaren Impedanz.
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