Hallo Leute!
Ich soll für ein Projekt Strom verstärken um ihn später zu
digitalisieren. Ströme im pA-Bereich sollen erfasst werden. 16 solcher
Eingänge soll es geben.
Habt ihr eine Ahnung wie man das macht?
Also, wenn es Ströme im mA-Bereich wären, hätte ich kein Problem damit.
Gibt es OPVs mit denen man die oben vorgestellte Aufgabe realisieren
kann? Oder benötigt man mehr dazu als einen OPV, um ensprechend
verstärken zu können um später den Wert zu digitalisieren?
Danke Tschüss
Martin
Hallo!
Bist du dir darüber klar, was du hier brauchst?
1pA sind 6 Millionen Elektronen pro Sekunde.
Wenn du das mit z.B. 10 Bit digitalisieren willst, dann ist eine
Quantisierungsstufe 6000 Elektronen/Sekunde!
Da musst du schon zählen!
Nides
das ist in der Tat irgendwie heftig. Ich würde vielleicht über
kaskadierte verstärkende Stromspiegel nachdenken, aber rechne dir da
nicht allzuviel Erfolg aus. Ich glaub nicht, daß man da nur
näherungsweise ran kommt. Mit einzelnen Transistoren sicher schon gar
nicht.
Wer beauftragt dich denn mit so was... :-( Wenns für die Uni ist,
sollte ein Betreuer selber wenigstens schon eine ansatzweise
Lösungsidee haben.
Dankeschön!
Und mit diesen OPV's kann man entsprechend verstärken?
Aber ich nehme mal an, dass hier etwas mehr dazu gehört als einfach nur
eine Verstärker-OP-Schaltung, um auf das gewünschte pA zu kommen, sonst
wären ja alle namhaften Hersteller schön dumm, wenn man das so einfach
nachbauen könnte.
Unser bestes Messgerät schafft gerade mal 10nA und hier behilft sich
der Hersteller angeblich mit vielen Tricks und Spezialschaltungen um
auf die 10nA zu kommen. Das Multimeter kostet an die 5000 Euro.
Tschüss
Martin
Hi,
also ich halte pA-Messungen für kategorisch unmöglich. Bei solch
geringen Strömen ist jede Schaltung überfordert, was Rauschverhalten
angeht. Um einigermaßen präzise messen zu können, müsstest du ja den
Rauschanteil im fA-Bereich halten. Das ist 1 Billion mal kleiner als
das, was übliche Multimeter können! Wenn du die Messköpfe alleine mit
deinen Fingern anpackst, koppelst du einige mV von deinem Sinusknoten
(das Ding am Herzen) in die Schaltung ein. Somit müssten alle
Isolationswiderstände im Tera-Ohm-Bereich sein, damit es zu keinen
parasitären Strömen kommt. Üblich ist aber einige hundert Megaohm, also
1 Million mal kleiner. Fazit: Vergiss es.
Picoamperemeter sind nicht kategorisch unmöglich. Keithley und Co
verkaufen diese ja sogar mit Femtoampere-Auflösung. Das da einiges an
Know-How dahintersteckt ist aber klar :)
Hallo,
ich hab nun ein aehliches problem wie oben beschrieben, und bin auch
schon auf den opa129 gestossen. weiss jemand ob es op's mit noch
geringeren input bias current als die max 250fA vom opa129 gibt?
Und weiss jemand wie man so eine schaltung entwickelt, wo dort am
wesentlichsten drauf zuachten ist? kennt jemand web-seiten wo so was
gut beschrieben ist?
bei mir gehts dadrum einen gleichstrom von 10^-11A bis 10^-13A
zuverstaerken und messtechnisch dann aufzubereiten um eine aussage
ueber aenderungen zutreffen.
Schau mal unter den Begriff Ladungsverstärker. Bei geringen Ladungen ist
man im fA-Bereich - kein Problem! Problematisch ist nur der quasi
statische Betrieb.
Und immer schön viel Teflon verwenden und Freiluftverdrahtung. Und die
Lötverbindungen gut reinigen, nicht dass am Eingangsverstärker der
ganze Strom über FLußmittelreste am IC vorbei fließt...
Staubflußen könne auch sehr lästig sein. Auf die Probleme bei hoher
Luftfeuchte muss ich ja nicht hinweisen, oder doch?
http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ina116.pdf
Im Datenblatt sind zumindest die grundlegenden Dinge beschrieben auf
die man achten sollte. Wie zT schon geschrieben: Die Anschlüsse nicht
verlöten, Schutzringe auf beiden Platinenseiten, keinen Lötstoplack,
kein Plastik in der Nähe, faradayschen Käfig um den Verstärker etc.
Ich glaube zwar nicht dass Martin noch antwortet aber was nie genannt
wurde ist: Bandbreite, Genauigkeit und Auflösung.
Mit einer geringen Bandbreite (im Hz Bereich) könnte man es mit einem
OPV in Integratorschaltung versuchen. Kriech- und Leckströme sind aber
trotzdem ein riesen Problem. Außerdem ist alles zusätzlich von der
Temperatur und von der Alterung abhängig.
Über die Anwendung wurde auch nie etwas gesagt. Ich denke mal die
Anwendung ist geneu so ein Unsinn wie die Frage.
ralf schrieb:> Innerhalb von fünf Jahren hat sich schon einiges getan es gibt jetzt> fertige Bausteine dafür.>> http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ddc316.pdf
Dumme Frage zum Datenblatt: die schreiben 10pC Bereich und
Integrationszeiten von 10 µs.
Das ergibt doch dann Mikro-Ampere, oder?
Wie kann man mit diesem Teil dann pA messen, was ja 6 Größenordnungen
weniger ist?
Du kannst die Integrationszeit auf 1ms und den Bereich auf 3pC stellen.
Das sind dann dann 3000pA Vollaussteuerung und 470fA Eigenrauschen.
Es gibt aber auch Typen mit noch kleinerem Rauschen.
ralf schrieb:> Du kannst die Integrationszeit auf 1ms und den Bereich auf 3pC stellen.> Das sind dann dann 3000pA Vollaussteuerung und 470fA Eigenrauschen.> Es gibt aber auch Typen mit noch kleinerem Rauschen.
Ok, als 2 Größenordnungen mehr als bei dem Stanford-Gerät. Aber es ist
ja auch die Frage, wozu man solche extrem rauscharme Geräte dann
einsetzen soll/muss.
Die thermische Rauschleistung ist bei Raumtemperatur ca. -174 dBm/Hz
Bezogen auf einen 50 Ohm Widerstand sind das rund 9 pA/Hz bzw. wenn wir
mal eine Signal-Bandbreite von 100 Hz annehmen sind wir bereits bei 900
pA Rauschstrom!
=> Ohne Stickstoffgekühlte Ultra-Low-Nois Amplifier und Supraleiter gibt
es keine Möglichkeit im pA Bereich irgendwas brauchbares zu messen.
Peter S. schrieb:> Die thermische Rauschleistung ist bei Raumtemperatur ca. -174 dBm/Hz> Bezogen auf einen 50 Ohm Widerstand sind das rund 9 pA/Hz bzw. wenn wir> mal eine Signal-Bandbreite von 100 Hz annehmen sind wir bereits bei 900> pA Rauschstrom!>> => Ohne Stickstoffgekühlte Ultra-Low-Nois Amplifier und Supraleiter gibt> es keine Möglichkeit im pA Bereich irgendwas brauchbares zu messen.
Und was ist von dem Stanford-Gerät (Link s.o.) zu halten?
Peter S. schrieb:> => Ohne Stickstoffgekühlte Ultra-Low-Nois Amplifier und Supraleiter gibt> es keine Möglichkeit im pA Bereich irgendwas brauchbares zu messen.
Was auch den Preis des SR570 erklärt und das Vorhaben einfach unmöglich
macht.
Michael K-punkt schrieb:> Dumme Frage zum Datenblatt: die schreiben 10pC Bereich und> Integrationszeiten von 10 µs.>> Das ergibt doch dann Mikro-Ampere, oder?>> Wie kann man mit diesem Teil dann pA messen, was ja 6 Größenordnungen> weniger ist?
im Datenblatt steht: Input Bias Current +/-2pA typ., +/-10pA max. Somit
wird eine brauchbare Messung im pA-Bereich mit diesem Baustein nicht
möglich sein.
Bob Pease hat mal einen netten Artikel zum Them verfasst: "What's All
This Femtoampere Stuff, Anyhow?"
http://www.national.com/rap/Story/0,1562,5,00.html
Gruß,
Alexander
Einen pA Strom wird man nicht bei 50 Ohm Messen. Da hat die Quelle in
der Regel eine viel höhere Impedanz und damit weniger Stromrauschen. So
abwegig sind so kleine Ströme nicht. Ein 1 M Ohm Widerstand hat z.B. nur
einen Rauschstrom von rund 0,1 pA/Sqrt(Hz).
Beispiele wo so kleine Ströme auftraten sind z.B. eine gute Fotodiode
bei wenig Licht oder eine Ionisationskammer.
Man muss auch noch unterscheiden ob man ströme bis auf pA auflösen will,
oder bei Strömen von 1 pA noch 10 Bit Auflösung braucht. Ein Auflösung
bis in den Bereich 1 pA oder auch 0,1 pA ist gar nicht so schwierig. Da
gibt es genügend OPs zur Auswahl mit Biasströmen unter 0,1 pA. Etwas
aufwendiger ist da die Isolierung, aber auch das geht, gerade für ein
Einzelstück mit einige frei fliegenden Leiterknoten und ggf. extra
Teflon Isolierposts.
Wenn man etwas Abgleich akzeptiert, und keine so hohen Anforderungen
hat, kann man ggf. auch gleich an die Basis einen kleinen Rauscharmen
Transistors gehen und so den Strom erst mal um rund einen Faktor 100-500
verstärken.
Mit Chopper-Op-Amps hatten wir schon in den 80-er Jahren
pA-Signale gemessen, die heutigen OP sind noch besser geworden,
so groß ist das Problem von den OP her gesehen nicht.
Viel mehr Ärger machen die Kriechströme, Teflon LP sollten
es schon sein, sehr feuchte Umgebung führt zu zusätzlichen
Problemchen, auch heute noch...
Es ist auch heute immer noch anspruchsvoll genug.
Tom schrieb:> Mit Chopper-Op-Amps hatten wir schon in den 80-er Jahren> pA-Signale gemessen, die heutigen OP sind noch besser geworden,> so groß ist das Problem von den OP her gesehen nicht.>> Viel mehr Ärger machen die Kriechströme, Teflon LP sollten> es schon sein, sehr feuchte Umgebung führt zu zusätzlichen> Problemchen, auch heute noch...>> Es ist auch heute immer noch anspruchsvoll genug.
So sehe ich das auch. Wer aussagekräftige Messungen im pA macht muss
ganz genau wissen was er tut und was nicht.
Vom Equipment mal ganz abgesehen, das ist natürlich auch nicht gerade
billig über die Bucht zu beziehen.
Die PTB weiß schon, warum sie überhaupt einen Tag der offenen Tür
anbietet: Weil dort die Profis am Werke sind.
Peter S. schrieb:> => Ohne Stickstoffgekühlte Ultra-Low-Nois Amplifier und Supraleiter gibt> es keine Möglichkeit im pA Bereich irgendwas brauchbares zu messen.
Nein, für Messungen im pA-Bereich braucht man so etwas nicht. Schon zu
Röhrenzeiten konnte man Ströme im fA-Bereich messen.
http://www.amplifier.cd/Test_Equipment/other/Keithley-410.html
oder das Keithley 610. Beide arbeiten mit der 5886 Elektrometer Pentode.
Nachfolgemodelle haben oftmals diskrete J-FET Eingangsstufen (z.B.
Keithley 602 oder 616).
http://www.amplifier.cd/Test_Equipment/other/602.html#610B
Elektrometer, wie das Keithley 619 nutzen einen AD515. Andere AD549L
oder OPA128.
Eines der besten Elektrometer auf dem Markt dürfte wohl das Keithley
6430 sein.
http://www.keithley.de/data?asset=386
Ganz nebenbei, ich habe hier ein Philips PM2436 DC-Micrometer, welches
im kleinesten Strommessbereich einen Vollausschlag von 10pA besitzt. Das
gab es mal bei Singer für 50€. Es ist nach dem Shunt-Prinzip aufgebaut
und wandelt über einen 1MOhm Widerstand die pA in µV um, um sie dann mit
einem Photochopper zu verstärken. Der kleinste
Gleichspannungsvollausschlag (was für ein Wort) beträgt 10µV. Mit der
eingebauten 5V Quelle kann man Widerstände bis 5TeraOhm messen.
LG Christian
Christian L. schrieb:> Ganz nebenbei, ich habe hier ein Philips PM2436 DC-Micrometer, welches> im kleinesten Strommessbereich einen Vollausschlag von 10pA besitzt. Das> gab es mal bei Singer für 50€. Es ist nach dem Shunt-Prinzip aufgebaut> und wandelt über einen 1MOhm Widerstand die pA in µV um, um sie dann mit> einem Photochopper zu verstärken. Der kleinste> Gleichspannungsvollausschlag (was für ein Wort) beträgt 10µV. Mit der> eingebauten 5V Quelle kann man Widerstände bis 5TeraOhm messen.
hier steht ein MV40 von Präcitronic im Regal, das in etwa gleiche Daten
hat. Die empfindlichsten Bereiche sind 10pA-100µV-10TOhm, Baujahr etwa
1980. Das Innenleben habe ich mir noch nicht näher angesehen, aber ein
Chopperverstärker ist da mit Sicherheit auch drin.
Gruß,
Alexander
Christian L. schrieb:>> LG Christian
Danke für die schöne Übersicht. An der Uni hatten wir ein Keithley in
brauner Farbe mit einem extra Meßkopf, schwer und mit dickem
Extra-Kabel.
Kommt vielleicht dem 6430 ähnlich, nur eben in der älteren braunen Farbe
der 80er-Jahre.
Hast du auch ein Bild von so einem Gerät?
Naja, das Keithley 642 hat zwar einen pA-Messbereich, die Settlingtime
ist dann aber 5s und die im Manual angegebene Genauigkeit beträgt, 1.5%
+ 6 Digits, was mir bei einem Messgerät mit einer 6 Digit-Anzeige wohl
etwas witzlos erscheint?!
Peter schrieb:> ... und die im Manual angegebene Genauigkeit beträgt, 1.5%> + 6 Digits, was mir bei einem Messgerät mit einer 6 Digit-Anzeige wohl> etwas witzlos erscheint?!
Und was ist daran witzlos, wenn die letzte Stelle der Anzeige um 6 hin-
und her zappelt? Da bleiben noch 5 1/3 Stellen für den Meßwert, von
denen bei 1.5% Genauigkeit so um die zwei eine Aussagekraft für
Absolutmessungen besitzen.
Messen von Strömen im Pico-Ampere Bereich ist möglich, aber nur mit
bestimmten Messverfahren. Die oben genannten PreAmps von Stanford
Research Sytems (SRS) machen meiner Meinung nur Sinn, wenn man eine
Lock-In-Messung macht -->
http://de.wikipedia.org/wiki/Lock-in-Verst%C3%A4rker.
Von SRS gibt es das ganze fertig in einer Box - Lock-In Amplifier SR810
and SR830 — 100 kHz DSP lock-in amplifiers. Wenn man sich die
Schaltpläne und auch die Hardware anschaut, wird man feststellen, das
dort auch keine Hexerei betrieben wird was die Realisierung angeht.
Keine Kühlung mit flüssigen Helium oder Stickstoff ;-).
Im Rahmen meiner Diplomarbeit habe ich mit dem AD549 (Version müßte ich
Nachschauen) einen Strom-Spannungs-Wandler gebaut. Der
Proportionalfaktor ist Wählbar, 10x4, 10x6 oder 10x8 A/V. Der maximale
Eingangsstrom ist 1mA und der Frequenzbereich ist bis max. 10kHz. (Die
SRS gehen um Faktor 10 höher!)
In der Werkstatt habe ich Testmessungen gemacht: Frequenzgenerator mit
Sinus und 1V, Widerstand (1M oder 1G) und dann mit dem Eingang des I/U
Wandlers verbunden. Den Ausgang auf ein Tektronix Oszi geführt und die
Messung 16-Fach gemittelt. Bei 100pA Eingangsstrom konnte man sauber den
Sinus erkennen und ohne Mittelung war auch noch einiges zu sehen. Bei
10pA wird das ganze aber dann auch mit der Mittelung ziemlich
verrauscht. Dieser Aufbau ist aber auch noch keine vollwärtige
Lock-In-Messung ...
Firma Keithley hat dazu auch ein Buch (mit viel Eigenwerbung ;-) - low
level measurements handbook -->
http://www.keithley.com/knowledgecenter/knowledgecenter_pdf/LowLevMsHandbk_1.pdf
Eingesetzt werden Lock-In-Messungen zum Beispiel beim Messen von
Halbleiter-Proben bei tiefen Temperaturen (30mK bis 4K).
Was das Thema Lock-In in Verbindung mit einem Elektrometer angeht, gibt
das 6430 auch ein paar nette Zahlen an:
>The Model 6430’s superior low current measurement ability (<0.4fA p-p) makes it >extremely useful for single electron transistor (SET) and quantum-dot research. >Using a technique similar to a lock-in, the 6430 can measure currents with 1aA >sensitivity (10 –18 A = 6 electrons/second).
LG Christian
Alexander Dörr schrieb:> hier steht ein MV40 von Präcitronic im Regal, das in etwa gleiche Daten> hat. Die empfindlichsten Bereiche sind 10pA-100µV-10TOhm,
Schon das ganz gewöhnliche IC 7106 hat einen typischen Eingangs-
strom von nur 1pA!
Gruss
Harald
Harald Wilhelms schrieb:> Schon das ganz gewöhnliche IC 7106 hat einen typischen Eingangs->> strom von nur 1pA!
Typ. Wert, nicht garantiert, und bei Raumtemperatur.
Und es driftet "schön".
Insbesondere wenn man um 3K höher geht.
Andrew Taylor schrieb:> Harald Wilhelms schrieb:>> Schon das ganz gewöhnliche IC 7106 hat einen typischen Eingangs->> strom von nur 1pA!> Typ. Wert, nicht garantiert, und bei Raumtemperatur.>> Und es driftet "schön".>> Insbesondere wenn man um 3K höher geht.
Nun, ich wollte den Chip nicht als pA-Meter vorschlagen, finde es
aber schon interessant, das man solche Daten heutzutage bereits
bei einem 2 EUR-IC bekommen kann. Ich denke, 1nA Vollausschlag
sollte damit durchaus machbar sein.
Gruss
Harald
Hallo zusammen, es ist ja schön das zu lesen, aber wir haben genau
diesen Fall, wir verwenden den AD549 mit Freiluftverdrahtung des heißen
Pins, es handelt sich um eine Ladungsverstärkerschaltung. Das Problem
was wir haben seit der Umstellung auf RoHS und auf den anderen AD549
Typen haben wir Probleme mit dem Drift. Er darf sich nicht weiter als 2N
pro 1min ändern entspricht ca. 3,5-4mV am Ausgang. Hat jemand einen
Lösungsvorschlag mit welcher Type ich die Schaltung noch realisieren
kann oder bzw. einen geeigneten Layoutvorschlag?
Hallo Stefan,
kannst du deine Schaltung (Schaltplan + Layout) hier zeigen? Welcher
Sensor liefert denn die Ladung, die der Ladungsverstärker verarbeiten
soll?
Der AD549 ist bei AD noch im Programm und es gibt ihn mit und ohne RoHS
zu kaufen. Wenn du vermutest, dass die RoHS-konforme Variante Probleme
macht, dann besorge doch mal ein nicht RoHS-konformes Muster und teste
mal. Vielleicht gibt es auch noch andere Faktoren, die für einen
erhöhten Leckstrom verantwortlich sind, z. B. anderes
Leiterplattenmaterial, geänderter Integrationskondensator, Leckstrom in
der Rücksetzschaltung, anderes Material in den isolierten
Lötstützpunkten usw.
Gruß,
Alexander
Hallo Alexander,
eigentlich bin ich auf der Suche nach einem neuen Baustein der
wesentlich günstiger ist!! Bzw. nach einem neuen Schaltplan oder
Layout!!
Den INA116 und OPA529 habe ich auch schon getestet nur die driften
ebenfalls ohne Anschluss eines Sensors!!
Am Eingang befindet sich ein Drucksensor !
Die Leiterplatten sind gereinigt und der heiße Pin ist freigelegt und
mit einer Luftverdrahtung.
>Das Problem was wir haben seit der Umstellung auf RoHS und auf den>anderen AD549 Typen haben wir Probleme mit dem Drift. Er darf sich nicht>weiter als 2N pro 1min ändern entspricht ca. 3,5-4mV am Ausgang.
Was soll denn "2N" heißen? Und was soll das für eine Schaltung sein?
Ladungsverstärker? Nein, das ist ein Integrator. Und was hat R22 für
eine Funktion? Die Caps entladen? Mit 1A?? Das hält der Schalter nicht
lange aus.
Also geh mal ins Detail und beschreibe, was die Schaltung machen soll...
Stefan schrieb:> Den INA116 und OPA529 habe ich auch schon getestet nur die driften> ebenfalls ohne Anschluss eines Sensors!!
Der INA116 ist ein Instrumentenverstärker und damit nicht für den
Integrator geeignet, der OPA529 ist bei TI unbekannt.
Bei TI gibt es eine AppNote "Signal conditioning for piezoelectric
sensors", in der der OPA337 genannt wird. Vielleicht wäre der eine
Alternative, allerdings sind die meisten neueren OpAmps nicht für +/-12V
geeignet.
Außerderm solltest du nochmal deine Integrationskondensatoren und die
Relais genauer unter die Lupe nehemn, ob sich da etwas geändert hat, was
zu höheren Leckströmen führen kann.
> Die Leiterplatten sind gereinigt und der heiße Pin ist freigelegt und> mit einer Luftverdrahtung.
Wenn ich den Schaltplan richtig verstehe, geht dein "luftverdrahteter"
Pin auf den Steckverbinder X4. Ist mit dem alles in Ordnung? Es könnte
natürlich auch der Sensor selbst sein. Hier wirst du um genaure
Untersuchungen nicht herum kommen.
Gruß,
Alexander
>Außerderm solltest du nochmal deine Integrationskondensatoren und die>Relais genauer unter die Lupe nehemn, ob sich da etwas geändert hat, was>zu höheren Leckströmen führen kann.
Durch zu hohe Ströme gehen die Relaiskontakte auf Dauer kaput und das
Relais kann eventuell die Caps nicht vollständig entladen.
Bevor wir weiterraten, sollte Stefan ganz genau erklären, was seine
Anwendung ist und was die Schaltung macht...
Kai Klaas schrieb:>>Außerderm solltest du nochmal deine Integrationskondensatoren und die>>Relais genauer unter die Lupe nehemn, ob sich da etwas geändert hat, was>>zu höheren Leckströmen führen kann.>> Durch zu hohe Ströme gehen die Relaiskontakte auf Dauer kaput und das> Relais kann eventuell die Caps nicht vollständig entladen.>> Bevor wir weiterraten, sollte Stefan ganz genau erklären, was seine> Anwendung ist und was die Schaltung macht...
Hab ich da was übersehen, oder ist der Ursprung des Beitrags echt von
2004?
Es handelt sich hier um einen Ladungsverstärker für piezoelektrische
Kraftsensoren. Die vom Sensor abgegebene Ladung wir in den
Bereichskondensatoren gespeichert. Die dadurch enstehende Spg. ist
proportional zur Kraft auf dem Sensor. Nach einer zweistufigen
Verstärkung wird das Signal über einen Filter 4. Ordnung geglättet
fg=1Khz!! Die Umschaltung der Bereichskondensatoren 1nF / 101nF erfolgt
über die Software!! Eine umschaltung der Verstärkung (1,4,16,64) erfolgt
automatisch in abhängigkeit der Messgröße!!
So ich hoffe es ist somit verständlich gemacht!!
