Hallo, ich habe eine fast schon theoretische Frage: gibt es eine Möglichkeit, einen 5 fA Strom zu messen, mit einem 0-100 Hz Band (notfalls 0-10 Hz) und maximal 5 fA rms Rauschen? Es ist für eine wissenschaftliche Anwendung, also selbst wenn es einen Supraleiter braucht, oder Ihr nur ein Labor kennt, die sowas irgendwie machen. Ein DC-Offset durch Leckströme ist kein Problem, es geht nur um das dynamische Verhalten (Leckstrom darf also nicht so groß werden, dass sein Rauschen mehr als 5 fA RMS ist). Die Polarisationsspannung ist irgendwo im Bereich einiger zehntel Millivolt, der Widerstand durch den der Strom fließt im Teraohmbereich... Danke!
http://www.femto.de/de/produkte/stromverstaerker/sub-femtoampere-var-verstaerkung-ddpca.html Hättest du aber auch selber gurgeln können.
Da man einzlne Elektronen zählen kann, kann man das http://www.lnqe.uni-hannover.de/fileadmin/institut/pdf/Nanoday2007_Hohls_27.09.2007.pdf
Oh cool, danke! Das hilft mir! So einen Verstärker wie den von Femto gibt es nicht zufällig noch etwas rauschärmer? So Faktor 10?
Karl Otto schrieb: > Oh cool, danke! Das hilft mir! So einen Verstärker wie den von Femto > gibt es nicht zufällig noch etwas rauschärmer? So Faktor 10? Keine Ahnung. Frag bei den Jungs an, ob sie sowas auch in einer Geld-spielt-keine-Rolle-Version bauen können bzw. ob das überhaupt geht.
Evtl. auch hier lesen: Beitrag "Selbstbau Picoamperemeter." mit Hausmitteln kommt man schon recht weit Keithley 6514 ist evtl. auch noch einen Blick wert. viel Erfolg Hauspapa
Karl Otto schrieb: > Oh cool, danke! Das hilft mir! So einen Verstärker wie den von Femto > gibt es nicht zufällig noch etwas rauschärmer? So Faktor 10? Welchen davon? Wenn du die Versionen mit 10^12 und 10^13 meinst, dann nicht. Der (Strom-)rauschärmste OPV den ich kenne ist der OPA129 mit 0,1fA/VHz - also lediglich Faktor zwei. Auch spielt bei der Bandbreite vor allem das niederfrequente Rauschen eine Rolle, was häufig gar nicht spezifiziert ist. S. K. schrieb: > Keithley 6514 ist evtl. auch noch einen Blick wert. Ist mit etwa 0,14Hz Bandbreite leider zu langsam, wie die meisten solcher Geräte. Das Keithley 6430 kommt immerhin noch auf etwa 7Hz Bandbreite im 100pA Bereich. In diesem Bereich liegt die Auflösung bei 1fA. Das Rauschen dabei beträgt 400aAp-p bei einer Bandbreite von 0,1Hz. Das Problem liegt in deinen Anforderungen an Bandbreite und niedrigem Rauschen bei solch kleinen Strömen. Solch kleine Ströme erfordern große Widerstände in der Rückkopplung, was die mögliche Bandbreite stark beschränkt. Versuchen könnte man es, wenn man sich auf 10Hz beschränkt und eine untere Grenzfrequenz festlegt, um niederfrequentes Rauschen zu eliminieren. DAs 6430 wird wohl auf einen LMC662A setzen - das würde zumindest zu den technischen Daten gut passen. Zum Vergleich, das Eingangsrauschen des Keithley 6430 ist z.B. hier zu entnehmen: http://www.keithley.com/data?asset=50390 Das könnte bei der Entwicklung hilfreich sein. Das beste wäre es aber, sich zu informieren, was mit Supraleitern möglich ist.
Hmm, aber selbst bei den so rauscharmen OPAs kann das doch mit resistivem Feedback allein nicht gehen, oder? Wenn man da einen 10 GOhm Widerstand in den Rückkopplungspfad setzt, dann rauscht der doch schon wie Hulle. Wie macht man sowas dann? Ich habe mal was von kapazitivem Feedback gelesen?
Karl Otto schrieb: > Hmm, aber selbst bei den so rauscharmen OPAs kann das doch mit > resistivem Feedback allein nicht gehen, oder? Wenn man da einen 10 GOhm > Widerstand in den Rückkopplungspfad setzt, dann rauscht der doch schon > wie Hulle. > Wie macht man sowas dann? Ich habe mal was von kapazitivem Feedback > gelesen? Das Stromrauschen ist am OPV-Eingang und da ist der Widerstand 0 Ohm. Dein Problem verstehe ich jetzt auch nicht: >und maximal 5 fA rms Rauschen Der Dir von Dihydrogenmonoxid vorgeschlagene Verstärker hat 2 fA pp Rauschen (0,4 fA bei DC), also ca. 1 fArms. Das ist 5 mal weniger als Du eingangs gewünscht hast. Außerdem kann man das Gerät vmtl. noch runterkühlen.
Okay wegen der Bandbreite, aber das ist p-p und nicht rms. Also erstens die Anschreiben, daß sie für Dich z.B. auf 10 Hz Bandbreite gehen sollen. Das reduziert das rauschen. Und dann noch kühlen. Mit dem Kühlen sollte man da einiges Erreichen können.
Karl Otto schrieb: > Wenn man da einen 10 GOhm > Widerstand in den Rückkopplungspfad setzt, dann rauscht der doch schon > wie Hulle. Ja natürlich. Aber mit steigendem Widerstand sinkt das Stromrauschen. Das Spannungsrauschen des Widerstands am Ausgang ergibt sich ja zu:
dieses kann man aber zu einem äquivalenten Eingangsstrom umformen:
Das Stromrauschen nimmt also mit steigendem Widerstand ab. Bei entsprechend hohem Widerstand sinkt das Stromrauschen des Widerstands unter das des OPVs. Insgesamt steigt natürlich das gesamte Rauschen. Für den Fall, dass der Widerstand noch nicht zu groß ist steigt es proportional mit Wurzel(R), während das Signal direkt mit R steigt. Nur dadurch verbessert sich das SNR der Schaltung. Bei steigendem Widerstand wirkt sich aber die Streukapazität negativ auf die Bandbreite aus. Für dein konkretes Problem könnte man z.B. mit einem 10GOhm Widerstand in der Rückkopplung anfangen. Dann könnte man eine maximale Kapazität von 1,6pF haben, um trotzdem noch eine 10Hz Bandbreite zu erreichen. Der Widerstand würde mit 1,28fA/VHz rauschen, was über die Bandbreite ein Rauschen von etwa 4,1fArms ergibt. (Voraussetzung: ein OPV mit niedrigem Stromrauschen) Tatsächlich wird das Rauschen aber etwas höher sein, da der Widerstand praktisch mehr rauscht und das 1/f Stromrauschen des OPVs hinzu kommt. Das Ausgangssignal wäre dann 10µV/fA. 100GOhm wären schon zu viel, da man wohl kaum auf die dann resultierende maximale Streukapazität von 0,16pF herunter kommt. Man könnte sich jetzt langsam an eine optimale Lösung heran tasten - z.B. mit einem 20GOhm Widerstand. Die maximale Streukapazität wäre mit 0,8pF wohl noch möglich. Das Rauschen würde dann um etwa den Faktor Wurzel(2) sinken. Das könnte evtl. schon reichen, um die Anforderungen zu erfüllen. Weiterhin könnte man versuchen durch Reihenschaltung der Widerstände die effektive Streukapazität zu verringern, um so vielleicht einen höheren Gesamtwiderstand zu ermöglichen. Damit könnte man das Rauschen wieder ein wenig reduzieren. Das alles sind aber nur theoretische Überlegungen - ob das alles in der Praxis so umsetzbar ist, bleibt offen. Frank schrieb: > Der Dir von Dihydrogenmonoxid vorgeschlagene Verstärker hat > 2 fA pp Rauschen (0,4 fA bei DC), also ca. 1 fArms. Das ist 5 mal > weniger als Du eingangs gewünscht hast. Der Verstärker schafft aber nicht die geforderte Bandbreite.
Als Alternative: https://www.keithley.de/products/dcac/sensitive/highresistance/?mn=6514E Bei diesem Gerät kannst Du den Analogausgang des Vorverstärkers anzapfen. Ansonsten Selbstbau, da kannst Du alle Parameter speziell für Deine Anwendung kontrollieren, vor allem kannst Du es bei -40°C kalibrieren und damit das Rauschen reduzieren. Die Messung selbst wird auch noch ein Kunststück. Da gibt es tausende Sachen zu berücksichtigen, denn bei diesen Strömen sind normale Isolatoren wirkungslos. Ein supraleitender Niobtitanatdraht im Vakuum wäre z.B. toll. So kurz wie möglich natürlich. Erst mal anfangen und messen und dann prüfen welcher Fehlerquelle nun tatsächlich ein Problem darstellt. Deine Ergebnisse hier rückzumelden wäre auch für uns interessant.
Karl Otto schrieb: > Wo kauft man eigentlich solche Widerstände? Ich habe meine bei Digikey gekauft (100 MOhm/1GOhm/10GOhm). Gibt es bis 500 GOhm und bis 25 ppm TK dort (von Ohmite). Gibt aber auch andere Quellen. Von Ohmite gibt es theoretisch bis 1 Teraohm mit bis zu 0,1% und +/-25 ppm Tk oder darunter.
Hallo, wer solche Ströme messen will kommt eigentlich nicht um http://www.keithley.de/products/dcac/currentvoltage/ herum. Die Jungs haben das wirklich drauf. Ich hab einige Messgeräte von denen und bin absolut zufrieden. Kostet zwar auch ein paar Euro mehr aber die sind es wert. Grüße aus Berlin
Karl Otto schrieb: > Wo kauft man eigentlich solche Widerstände? Eigentlich bieten alle großen Distributoren solche hochohmigen Widerstände an. Also Farnell, Digikey, Mouser, RS ... Ansonsten bei Herstellern, wie Ohmite oder Welwyn TT anfragen. Frank schrieb: > Als Alternative: Auch das ist nicht schnell genug. Keines der Geräte von Keithley oder Femto bietet im fA-Bereich die geforderte Bandbreite. Alle liegen um gut eine Größenordnung darunter. Solange nichts an den geforderten Parametern geändert wird, bleibt nur der Versuch des Selbstbaus - mit ungewissem Ausgang - oder eines Supraleitenden Systems.
Bei der Bandbreite muss man unterscehiden zwischen dem Frequenzgang und dem Limit für eine Messung nach einer Korrektur des Frequenzganges. Gerade für so kleine Ströme kann es besser sein einen relativ großen Kondensator in der Rückkopplung zu haben, also weit jenseites der eigentlichen Bandbreite zu messen. Die Integrierende Wirkung des Kondensators kann man ja relativ leicht zurückrechnen - das spart auch die Genauen Widerstände im GOhm Bereich. Um etwas weiter zu kommen, hilft kühlen und ggf. extra Trockene Luft/Schutzgas oder Vakuum. Die sehr kleine Spannung an der Probe stellt dann aber auch hohe Anforderungen an die Offsetspannung am Eingang. Da kommt dann zu dem kleinen Strom noch eine 2. Anforderung dazu !
>Integrierende Wirkung des Kondensators kann man ja relativ leicht >zurückrechnen
Dabei wird doch aber das Noise genauso zurückgerechnet. Gewonnen hat man
da nix, nur verloren, oder?
Roland L. schrieb: > rein aus Interesse: > wie kann man mit einem supraleitenden System sowas messen? Gar nicht, zumindest ist mir nichts bekannt. Vielleicht gibt es aber einen mir unbekannten Tunneleffekt. @Ulrich H. Ja das kann ein Problem sein, aber mit Offsetkompensation kann man die in einem Transimpedanzwandler ggf. knapp auf Submikrovolt drücken. Viel weniger ist aber nicht drinnen. Wenn es nur einige Nanovolt Spannung ist, hat man jedenfalls ein unlösbares Problem. Aber noch ist uns das ja unbekannt, könnten auch einige Volt sein.
> Aber noch ist uns das ja unbekannt, könnten auch einige Volt sein.
Wie gesagt, es geht um ca +- 10-100 mV. Genauigkeit 10% ist ok,
insgesamt tun es auch 30% Abweichung der Messung. Mit der Methode mit
der man das Problem sonst angeht kann man froh sein, wenn die
Größenordnung stimmt.
Mit dem Kondensator als Rückkopplung bekommt man schon wieder das Rasuchen des parallelen Widerstandes. Nur kann der Widerstand ohne Rücksicht auf die Bandbreite auch sehr groß gewählt werden. Wenn man eine höhere Bandbreite benötigt, bleibt einem kaum etwas anderes übrig als die Kapazität der Rückkopplung zu berücksichtigen - da bei ist es eher einfacher, wenn Kondensator vergleichgleichweise groß ist, so dass man einen reinen Integrator hat, als wenn man gerade den Übergangsbereich zwischen der wirkung des Widerstandes und der Kapazität nutzt. Außerdem darf man den Widerstand ohne Rücksicht auf die Bandbreite ggf. größer wählen. Vom Rauschen gewinnt man mit dem Kondensator nur etwas, wenn man den Widerstand größer wählen kann, sonst kommt es auf das geleiche hinaus. Es gibt dann noch die Methode die DC Rückkopplung nicht per Widerstand, sondern per hochwertiger kleiner "Photodiode" zu machen. Das kenne ich von der Messung von Ionenströmen. Es kann aber sein, dass es da einfach um den Vorteil eines relativ gut geschützeten Einganges geht.
Karl Otto schrieb: >> Aber noch ist uns das ja unbekannt, könnten auch einige Volt sein. > > Wie gesagt, es geht um ca +- 10-100 mV. Genauigkeit 10% ist ok, > insgesamt tun es auch 30% Abweichung der Messung. Mit der Methode mit > der man das Problem sonst angeht kann man froh sein, wenn die > Größenordnung stimmt. Das ist schon sehr wenig, aber im Bereich des Möglichen. Bei solch kleinen Spannungen braucht man schon eine Offsetkompensation. Ist aber auch kein Hexenwerk. Eventuell könnte es auch ohne Kompensation gehen, wenn man entweder die Bauteile auswählt oder nachträglich korrigiert. Bei der Bandbreite will ich nochmals erwähnen, daß das Keithley einen Ausgang vom Vorverstärker hat, somit die Bandbreiteangabe für das Gesamtgerät dafür nicht gilt. Ggf. also bei Keithley nachfragen oder in der Dokumentation suchen. Was Keithley (und auch das femtogerät) macht ist, daß sie nachfiltern um das Rauschen zu reduzieren. Für DC möchte man ja möglichst rauscharm sein. Für AC ist das Rauschen vielleicht gar nicht so schlecht, bzw. kann man bessere Verfahren zum Rausrechnen verwenden. Bzw. es wird auch noch nachgemittelt um noch kleinere Auflösung zu bekommen. Ich werde demnächst meinen LMP7721 vermessen um zu sehen, was man tatsächlich damit rausholen kann. Selbst der könnte das in "einfacher" Transimpedanzschaltung schaffen. Ich vermute, daß die anderen Geräte auch genau so arbeiten (auch mit dem gleichen OPV). Aber sie haben danach eben auch noch Rauschunterdrückung geschaltet und zwar analog und digital. Hat jemand einen Hinweis wie man die Verstärkung bei einem Transimpedanzwandler berechnet? Da ja Strom reingeht und Spannung raus ist das ja nicht so einfach. Muß man da Ausgangsspunng durch Innenwiderstand des OPV * Eingangsstrom teilen? Der Innenwiderstand ist nur als "extremly high" angegeben. Wenn man mal 1 Gigaohm Eingangswiderstand annehmen würde, dann gäbe es bei 20 fA Eingangsstrom eine Spannung von 20 uV. Durch die Rückkopplung z.B. über einen 10 GOhm Widerstand ergäbe sich 200 uV Ausgangsspannung. Somit eine Verstärkung von 10 und eine -3 dB-Bandbreite von 1,5 MHz. Also da wäre noch genug Bandbreite übrig für Rauschunterdrückung und Korrekturen. Oder habe ich einen Fehler?
Frank schrieb: > Bei der Bandbreite will ich nochmals erwähnen, daß das Keithley einen > Ausgang vom Vorverstärker hat, somit die Bandbreiteangabe für das > Gesamtgerät dafür nicht gilt. Ich weiß nicht, was ich noch tun soll, um es dir begreiflich zu machen. Das Datenblatt ist doch wohl eindeutig diesbezüglich: >PREAMP SETTLING TIME (to 10% of final value): 2.5s typical on pA ranges, damping >off, 3s typical on pA ranges damping on, 15ms on nA ranges, 5ms on µA and mA >ranges . Frank schrieb: > Somit eine > Verstärkung von 10 und eine -3 dB-Bandbreite von 1,5 MHz. Also da wäre > noch genug Bandbreite übrig für Rauschunterdrückung und Korrekturen. > Oder habe ich einen Fehler? Ja, erstens kann man das so nicht rechnen. Zweitens ignorierst du völlig alle parasitären Elemente. Bei solch hohen Widerstandswerten kann man das aber nicht mehr. Schau dir das Datenblatt deines LMP7721 an. Dort stehen genug Hinweise drin, wie man das alles berechnet. Drittens wird das schon Physikalisch nichts werden, denn 20fA sind gerade einmal 120000 Elektronen pro Sekunde. Wie die noch mit 1,5MHz schwingen sollen erschließt sich mir nicht. Das sind weniger, als 0,1 Elektron pro Periode. Das past also alles nicht zusammen. Hier kannst du auch noch mal nachschauen: http://www.ti.com/lit/an/snoa515a/snoa515a.pdf http://www.ti.com/lit/an/sboa122/sboa122.pdf
Christian L. schrieb: > Frank schrieb: >> Bei der Bandbreite will ich nochmals erwähnen, daß das Keithley einen >> Ausgang vom Vorverstärker hat, somit die Bandbreiteangabe für das >> Gesamtgerät dafür nicht gilt. > > Ich weiß nicht, was ich noch tun soll, um es dir begreiflich zu machen. Bisher hast Du noch gar nichts getan und mehr Höflichkeit könnte Dir nicht schaden. > Das Datenblatt ist doch wohl eindeutig diesbezüglich: >>PREAMP SETTLING TIME (to 10% of final value): 2.5s typical on pA ranges, damping >>off, 3s typical on pA ranges damping on, 15ms on nA ranges, 5ms on µA and mA >>ranges . Das ist ja für Fullscale Settling. Das Gerät macht ja 10-100 Messungen pro Sekunde, das kann man selber natürlich auch, bzw, noch mehr durchführen. Das Settling ist ja deutlich schneller, wenn die Änderung nur klein ist. Und die geringe Setzgeschwindigkjeit liegt wohl nicht am Verstärker sondern an der zu messenden Stromquelle. > Frank schrieb: >> Somit eine >> Verstärkung von 10 und eine -3 dB-Bandbreite von 1,5 MHz. Also da wäre >> noch genug Bandbreite übrig für Rauschunterdrückung und Korrekturen. >> Oder habe ich einen Fehler? > Ja, erstens kann man das so nicht rechnen. Warum nicht, bzw. wie dann? > Zweitens ignorierst du völlig alle parasitären Elemente Ja bitte, die wären? > Bei solch hohen Widerstandswerten kann man das aber nicht mehr. Klär mich auf. > Schau dir das Datenblatt deines LMP7721 an. Dort > stehen genug Hinweise drin, wie man das alles berechnet. Du nimmst das also an, daß man aus Hinweisen dort erfahren könnte, wie man das berechnet, weißt es aber auch nicht. Dann kannst Du genau genommen auch nicht wissen, daß es so wie ich beschrieben habe nicht geht. Aber ich lasse mich gern erhellen. > Drittens wird > das schon Physikalisch nichts werden, denn 20fA sind gerade einmal > 120000 Elektronen pro Sekunde. Wie die noch mit 1,5MHz schwingen sollen > erschließt sich mir nicht. Das sind weniger, als 0,1 Elektron pro > Periode. Das past also alles nicht zusammen. Was vollkommen egal ist, denn wenn die Quelle nur mit 100 Hz schwingt und ich mit einer Bandbreite von 1,5 MHz messe ist doch alles bestens. Das wäre eher eine Antwort zum TE, der ja bis zu 100 Hz messen möchte. > Hier kannst du auch noch mal nachschauen: > http://www.ti.com/lit/an/snoa515a/snoa515a.pdf > http://www.ti.com/lit/an/sboa122/sboa122.pdf Gut. Das bestätigt meine obige Annahme wie das zu berechnen ist. Also MHz-Bandbreiten bei kleinen Strömen sind tatsächlich kein Problem, ohne daß man mehrere Verstärker kaskadieren muß, weil das Verstärkungsbandbreiteprodukt nicht reicht. Man muß eben die hohen Widerstände entsprechend frequenzkompensieren.
Angehängte Dateien:
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settling_time.png
85 KB -
Grenzfrequenz.png
140 KB
Frank schrieb: > Das ist ja für Fullscale Settling. Das Gerät macht ja 10-100 Messungen > pro Sekunde, Es ist völlig egal, wie schnell der AD-Wandler ist, wenn der Vorverstärker nicht schnell genug ist. Die Geschwindigkeit des AD-Wandlers kann erst bei größeren Strömen und damit einer höheren Bandbreite des Preamps sinnvoll genutzt werden. > Das Settling ist ja deutlich schneller, wenn die Änderung > nur klein ist. Nein ist sie nicht. Die settling time wird in erster Linie durch die Eingangsstufe bestimmt, welche sich wie ein Tiefpass erster Ordnung verhält. Bei einem Tiefass erster Ordnung ist das Produkt aus Grenzfrequenz und settling time konstant mit 0,35. (settling von 10% auf 90%) Somit ist der Anstieg des Signals von 10% des Nennwertes auf 90% des Nennwertes immer gleich, egal wie groß der Nennwert ist. Siehe auch das Bild zur Settling time eines RC-Tiefpasses mit 1Vmax und 10Vmax im Anhang. Beide Signal brauchen exakt gleich lang, um auf 90% zu steigen. Man kann also durch ein kleineres Signal die Bandbreite nicht erhöhen. Und damit bleibt es dabei, dass der Preamp nicht die geforderte Bandbreite von 10Hz schafft. > Und die geringe Setzgeschwindigkjeit liegt wohl nicht am > Verstärker sondern an der zu messenden Stromquelle. Woher nimmst du diese Gewissheit? Das 2600-Serie von Keithley hat eine Auflösung von 20fA und spezifiziert eine Settling time von <150ms auf 0,1% Abweichung vom Endwert. Also deutlich schneller, als die Spezifikation des Preamps. >> Zweitens ignorierst du völlig alle parasitären Elemente > Ja bitte, die wären? Die Eingangskapazität des OPVs, sowie zusätzliche Kapazitäten durch Kabel, Messobjekt, Buchsen und interner Verschaltung und zusätzlich die parasitären Kapazitäten der Rückkopplungswiderstände. Im Anhang noch mal eine Simulation mit 10GOhm und einer parasitären Kapazität von 0,4pF. Die Kapazität liegt damit im Mittelfeld. Ohmite kommt in der MAXI-MOX-Serie auf Kapazitäten von 0,3pF bis 0,75pF. Bei Welwyn TT liegt die Kapazität bei 0,4pF oder 0,2pF in der 3810-Serie. Die Grenzfrequenz liegt somit bei ~40Hz und ist somit sehr weit entfernt von 1,5MHz. Du kannst aber gerne eine schnellere Schaltung hier zeigen - ich lasse mich gerne eines besseren belehren.
Angehängte Dateien:
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140 KB
Man kann noch die parasitäre Kapazität des Rückkopplungswiderstandes kompensieren, durch eine kleine RC-Kombination, bei der gelten muss:
Dann verhält sich die Rückkopplung so, wie ein 10GOhm Widerstand ohne parasitärer Kapazität. Dann ergibt sich aber ein Pol bestehend aus Rückkopplungswiderstand und Eingangskapazität des OPVs. Durch zusätzliche Kapazitäten von z.B. Leitungen usw. verschiebt dieser sich immer weiter nach links. Dieser Pol muss kompensiert werden, was man üblicherweise durch eine Begrenzung der Bandbreite erreicht. Man kann somit sicherlich noch ein wenig Bandbreite herausholen aber an 1,5MHz Bandbreite glaube ich im Moment noch nicht.
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