Hochohmige und schnelle Spannungsmessung für einen Regelkreis

[Benedikt H. (benni_1)]

Guten Abend!

Also, für eine elektronisch regelbare Last (0,1 Ohm bis 10 MegOhm) 
brauche ich eine Spannungsmessung. Zusammen mit einer dem Strom 
proportionalen Spannung wird damit auf einen konstanten Widerstandswert 
(+-1%) geregelt.
Eingangsspannung: 1mV - 60V
Ausgangsspannung der Spannungsmessung: 2 Ranges, je 10mV - 4,096V

Momentan teile ich über einen Spannungsteiler (15Meg & 560k) die max. 
60V auf 2,16V herab und schicke sie durch einen Impedanzwandler mit 10pA 
Eingangsstrom und 13pF Eingangskapazität. (OPA2376)
15MegOhm und 13pF bedeutet: 5*Tau = 5*R*C = 5  15Meg  13pF = 975µs bis 
der Ausgang des Impedanzwandlers konstant bleibt. Der Widerstandswert 
der Last soll jedoch in maximal 20µs eingeregelt sein (+-1%). Da 
nachfolgende Verstärker das Messen ebenfalls verzögern, will ich für die 
Eingangsstufe der Spannungsmessung max. Tau = 1µs haben.

Im Anhang ist eine LT Spice-Zeichnung der Eingangsstufe. Es gibt 2 
Spannungsteiler, die auf ca. 2,5V referenziert werden, um eine bipolare 
Messung zu ermöglichen.

Das bedeutet, entweder ein TTL-Baustein mit weniger Eingangskapazität. 
Dieser braucht jedoch mehr als 10pA am Eingang und durch den 
Spannungsteiler fließen bei 1mV nur 67pA, was jetzt schon knapp ist!
Oder eben ein CMOS-Baustein, ohne Nennenswerten Eingangsstrom, jedoch 
mit einer großen Eingangskapazität..

Gibt es irgendeine alternative zu meinem Problem?

Mfg Benedikt

[Ulrich H. (lurchi)]

Der Teiler wird schneller, wenn man parallel zur den Widerständen 
Kondensatoren hat. Die 13 pF vom Eingang liegen dabei schon effektiv 
parallel zu den 560 K. Die 15 M müssten als Ausgleich noch einem 13 pF * 
560K/15 M, also etwa 0,4 pF parallel haben. Der genaue Wert hängt vom 
Layout ab. Ein abgleichbarer Kondensator in der Größenordnung ist ggf. 
einfach ein isolierter Draht (1-2 mm) parallel zur Leiterbahn, in den 
passende Abstand gebogen. Je nach Layout müssen auch zu den 13 pF noch 
ein paar parallel.

Ein passiver Tastkopf vom Oszilloskop wäre da ein Vorbild.

[MaWin (Gast)]

Benedikt H. schrieb:
> Das bedeutet, entweder ein TTL-Baustein mit weniger Eingangskapazität.
> Dieser braucht jedoch mehr als 10pA am Eingang und durch den
> Spannungsteiler fließen bei 1mV nur 67pA, was jetzt schon knapp ist!
> Oder eben ein CMOS-Baustein, ohne Nennenswerten Eingangsstrom, jedoch
> mit einer großen Eingangskapazität..

Häh ?

TTL ist Digitaltechnik und hat 1.6mA Iil,

und auch CMOS hat ganz oft mehr als 10pA,
vor allem wenn es wärmer wird.
Bereits ein OPA129 reisst deine 10pA,
ein LMC6001A würde sie einhalten.

> Also, für eine elektronisch regelbare Last (0,1 Ohm bis 10 MegOhm)
> brauche ich eine Spannungsmessung. Zusammen mit einer dem Strom
> proportionalen Spannung wird damit auf einen konstanten Widerstandswert
> (+-1%) geregelt.

Also für STROMmessung braucht men wenigstens keine hochohmigen 
Messeingänge.

Wenn dein Ding 10MOhm Maximalwiderstand haben muss, und den 
Spannungsteiler mit 15MOhm aufbaut, darf durch den Transistor im cut off 
maximal 2uA Stromfluss haben.

VERGISS ES.

Alle MOSFETs und Bipolaren Transistoren mit halbwegs Leistung haben 
einen um Grössenordnungen höheren Sperrstrom, und heiss werden sie auch 
noch wenn sie kurz zuvor Verlustleitung verbraten mussten.

Kommt erst wieder, wenn du die physikalischen grundlagen für 
realistische Kennwerte nachgelesen hast.

[Dampfzottel (Gast)]

Naja, das Ganze wird schneller wenn man gleich am Eingang einen 
Sourcefolger hat, der den Spannungsbereich abdeckt...

[Benedikt H. (benni_1)]

Danke erst einmal für die vielen Tipps und Hinweise!

Ulrich, das mit den Kondensatoren scheint eine einfache Lösung zu sein, 
ich probiere das Ganze jetzt einfach mit 33pF und 13pF || 871pF. Laut 
Simulation scheint es ideal zu funktionieren, solange die Werte genau 
sind..

MaWin schrieb:
> Also für STROMmessung braucht men wenigstens keine hochohmigen
> Messeingänge.

Die Strommessung steht ja bereits, ich brauche nur noch die 
Spannungsmessung ;)

Mit den 2uA hast du schon recht, ich dachte nicht, dass sich jemand so 
viele Gedanken zur Schaltung macht.. Mein 750Watt MOSFET (die Leistung 
sinkt ja bekanntlich mit der Temperatur, bei mir sogar bis auf ca. 
60Watt) lässt etwa 250µA fließen.
Darum habe ich in Serie einen kleinen MOSFET eingeplant, mit einer 
niedrigeren Ugs-Schwellspannung, damit ich beide Gates miteinander 
verbinden kann. Der kleine FET hält die geplanten max. 5A, wird kaum 
warm und kann auf 1µA herunterregeln.
Physikalische Grundlagen genug?

Dampfzottel schrieb:
> Naja, das Ganze wird schneller wenn man gleich am Eingang einen
> Sourcefolger hat, der den Spannungsbereich abdeckt...

Stimmt, jedoch bräuchte ich dafür eine über 60V Spannungsversorgung und 
das ist mit zu viel Arbeit ;)