In der Wasserchemie werden Sensoren verwendet, die einen zum messenden Parameter proportionalen Strom abgeben. Der Innewiderstand dieser Stromquelle liegt im Bereich von ca. 1GOhm und der zu messende Strom bei 0-100nA, quasi DC (fmax unter 1Hz). Damit das Signal mit nachfolgendem AD Wandler digitalisiert werden kann soll es mittels eines Transimpedanz OPA in eine Spannung gewandelt werden. Die Elektronik dazu wird in unmittelbaren Nähe zum Sensor montiert. Verschiedene Hersteller bieten sog. 'Zero Drift' also chopper stabiliserte OPA's an. Soweit so gut. Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren sind. Rauschspannung oder Rauschstrom? Kann mir jemand ein wenig Licht in dieses Thema bringen? Besten Dank für Eure Hilfe
100 nA sind schon mächtig viel Strom, das kann man recht komfortabel mit einem OP mit FET-Eingängen messen. Ob es unbedingt ein Chopper sein muss? Ob Rauschstrom oder -spannung von Belang sind, hängt von der genauen Eingangsschaltung (Schutzbeschaltung!) fest. Ein invertierender Verstärker a la Ladungsverstärker bietet sich an.
Hallo, > In der Wasserchemie werden Sensoren verwendet, die einen zum messenden > Parameter proportionalen Strom abgeben. Der Innewiderstand dieser > Stromquelle liegt im Bereich von ca. 1GOhm und der zu messende Strom bei > 0-100nA, quasi DC (fmax unter 1Hz). Dann ist das erste Problem, den Strom zum Verstärker zu bringen, da die Isolatoren oft nicht ausreichend isolieren. Mach Dir zunächst die Größenordnungen bei Deinem Problem klar: Wenn Dein Signal eine Spannung von 1 V aufweist und Du durch irgendeinen Schmutzfilm (oder weil Du ein Kabel ins Wasser hältst) einen Widerstand von 100MOhm zwischen Deiner Signalleitung und Masse hast, fließen 10nA. Das ist -- verglichen mit den Nutzströmen - recht viel. Insofern lohnt es sich, wenn Du Dich mit Konzepten wie "Guard Traces" bekanntmachst. Wieviel Aufwand Du dann damit treibst, musst Du am Ende selbst entscheiden. Wenn Du zu noch kleineren Strömen misst (pA-Bereich, sub-pA-Bereich), wirst Du schnell merken, dass sogar ein Wackeln am Kabel Ströme hervorruft, da sich beispielsweise die Kapazitäten zwischen den beiden Leitungen ändern und somit Ausgleichsströme fließen. (Bei 100nA sind diese Probleme aber noch recht weit weg.) > Damit das Signal mit nachfolgendem > AD Wandler digitalisiert werden kann soll es mittels eines Transimpedanz > OPA in eine Spannung gewandelt werden. Die Elektronik dazu wird in > unmittelbaren Nähe zum Sensor montiert. Verschiedene Hersteller bieten > sog. 'Zero Drift' also chopper stabiliserte OPA's an. Das "Zero Drift" bezieht sich aber auf Spannungen. Was Du vor allem brauchst, sind OPVs, deren Eingänge dicht sind und Leiterbahnen/Kabel, die keine Leckströme aufweisen. > Soweit so gut. > Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so > richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren > sind. Rauschspannung oder Rauschstrom? Kann mir jemand ein wenig Licht > in dieses Thema bringen? Besten Dank für Eure Hilfe Das ist vorauss. nicht Deine wichtigste Baustelle, da Du eine sehr geringe Bandbreite hast. Schau Dich am besten mal in dem Buch "Low Level Measurements Handbook" um: https://www.keithley.de/knowledgecenter Wenn Du konkrete Hilfe willst, musst Du Dein Projekt konkret beschreiben. Viele Grüße Michael
Michael Lenz schrieb: > Dann ist das erste Problem, den Strom zum Verstärker zu bringen, da die > Isolatoren oft nicht ausreichend isolieren. Mach Dir zunächst die > Größenordnungen bei Deinem Problem klar: Wenn Dein Signal eine Spannung > von 1 V aufweist und Du durch irgendeinen Schmutzfilm (oder weil Du ein > Kabel ins Wasser hältst) einen Widerstand von 100MOhm zwischen Deiner > Signalleitung und Masse hast, fließen 10nA. Völlig falsch. Er hat offenbar einen STROMquelle, keine Spannngsquelle (wie es ein pH-Meter wäre). Bei einer STROMquelle (an einem Transimpedanzverstärkeer) erzielt man am Eingang immer eine Spannungsdifferenz von 0V, und wo 0V Differenz sind, kann kein Strom (ab)fliessen. (Ähnlich wie bei einer Elektrometer-Spannungsmessung der Guard-Ring).
maxwaldo schrieb: > Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so > richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren > sind. Rauschspannung oder Rauschstrom? Also aus dem Bauch raus würd ich sagen: Da Deine Stromquelle sehr hochohmig ist (und auch durch die sehr niedrige Frequenz auch parasitäre Kapazitäten hier nicht in die Suppe spucken werden) würde ich sagen daß ein TIA hier immer eine sehr niedrige *Spannungs*verstärkung haben wird und somit Spannungsrauschen am Verstärkereingang keine Rolle spielen wird. Den Feedback-Widerstand des TIA solltest Du wie üblich so groß wie möglich machen (weil die Verstärkung des Stromes direkt proportional zu diesem R ist, jedoch das durch ihn verursachte Johnson-Rauschen nur proportional zu Wurzel R, also je größer desto besser, so groß wie es der angestrebte Meßbereich erlaubt. Ein Kondensator parallel zu Rf begrenzt die Bandbreite des Verstärkers bei höheren Frequenzen, sowohl die Spannungs- als auch die Transimpedanzverstärkung und somit im selben Maße auch jegliches Rauschen dort. Jegliches Stromrauschen wird mit der gewählten Verstärkung des TIA verstärkt werden, genauso wie auch das Nutzsignal.
Hallo, ich entwickle optoelektronische Messgeräte, die oft auch bei der Messung von Fotoströmen hart an die Grenze des physiklisch machbaren gehen. Auflösungen bis in den pA...fA.bereich sind da normal. Dagegen scheint mir dein Zeugs noch recht gutmütig. > maxwaldo schrieb: > der zu messende Strom bei 0-100nA, Wie schon geschrieben, sind 100nA noch recht großzügig. Nehme ich aber mal eine Auflösung von ca. 0,1nA an, dann muß der OPV einen max. Biasstrom haben, der möglichst noch deutlich kleiner als 0,1nA ist. Da ist die Auswahl nicht mehr so groß. Alles was im Bereich unter 10pA verspricht, wäre nutzbar. Nomale bipolare OPV kann man da meist vergessen. CMOS- und BiFET-OPV, noch beser Di-FET-PV bieten sich da an. > quasi DC (fmax unter 1Hz). Damit das Signal mit nachfolgendem > AD Wandler digitalisiert werden kann soll es mittels eines Transimpedanz > OPA in eine Spannung gewandelt werden. Ja, ist so weit plausibel > Die Elektronik dazu wird in > unmittelbaren Nähe zum Sensor montiert. Verschiedene Hersteller bieten > sog. 'Zero Drift' also chopper stabiliserte OPA's an. Die Offsetspannung und Ofssetdrift sind ein anderes Thema, das du hier aber überschätzt. Nehmen wir an, dass der Verstärker mit einer Rückkopplung von 10MOhm arbeitet (kann auch höher sein). Dann wird 0,1nA zu einer Spannung von 1mV. Schön wäre es hier also, wenn zumindest der Fehler durch Offsetdrift unter 1mV bleiben würde. Der Grund-Offset selbst kann normal leicht "weggerechnet" werden. Je nach Einsatztemp.-Bereich (z.B. +/-20K) sollte aber Offsetdrift unter ca. 50uV/K sein. Das ist um 1...2 Größenordnungen von den typischen Einsatzbereichen klassischer Chopper-OPV entfernt. Wenn deine Messungen eher unter kontrollieren Laborbedingungen stattfinden und der Offset durch Kontrollen erfassbar ist, wird es noch einfacher. Dann könntset du auch OPV mit Offesetdrift bis ca. 100uV/K noch nutzen. Das ist heute 0815-Standard. OPV mit Offsetdrift unter 10uV/K finden sich viele. Da braucht es also nix so besonderes. Ich würdd dir auch nicht unbedingt raten, als Laie solche Chopperstabilisierten OPV zu nutzen. Wenn du hier Biasstrom und Offetdrift entsprechdn einstellst, bekommst du immer noch eine große Auswahl an OPV. http://www.ti.com/lsds/ti/amplifiers-linear/precision-amplifier-products.page#p10max=0.02;5&p743typ=0.003;10 Mit weiteren Parametern kannst du die Auswahl reduzieren. -> Anzahl Kanäle, Spannungbereich, Stromaufnahme, Bauform Dann nimmt man einen günstigen aus der Auswahl. > Beim Thema Rauschen komme ich aber an meine Grenzen und bin mir nicht so > richtig im Klaren welche Werte für meinen Einsatzfall zu optimieren > sind. Die erste Verstärkerstufe sollte so hoch wie möglich verstärken, weil dann die Rauschspannung nur mit der Wurzel eingeht. Danach folgende Stufen verstärken alles linear mit. Bei der niedrigen Grenzfrquenz kannst du den Vestärker gut als Tiefpass einstellen. Macht die Sache auch einfacher. >Rauschspannung oder Rauschstrom? Kann mir jemand ein wenig Licht > in dieses Thema bringen? Ist am Ende für dich egal. Wir wissen ja auch nicht, welches Rauschen dein Sensor erzeugt. Wenn du eine gute Abtastfrequenz hast und nachfolgend rechnerisch gut glätten kannst (rechentiefpass,Mittelwertbildung), dann bekommst du das Rauschen bis unter die Auflösung des ADC reduziert. Viel wichtiger sind da wohl Einflüsse durch den Messaufbau und Störungen aus der Umgebung. Möglichst kurze Leitunge, eine sehr gute Abschirmung und ein vernünftiger Aufbau der Schaltungen ist Bedingung für gute Stabilät und hohe Auflösung. Gruß Öletronika http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Opto_Laser/Fotoverst%e4rker.PDF
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Erstmal vielen Dank für eure Kommentare. Damit wurde für mich die Beurteilung der zu erwartenden Probleme erheblich erleichtert. Für den den's interessiert. Es handelt ich um einen Sensor zur Gelöst-Sauerstoffmessung im Fischzuchtbecken. Auch als 'Clark Zelle' bekannt. Der Sauerstoffgehalt ist direkt proportional zum Strom in dem angebenen Bereich. Letzlich ist es der Kurzschlussstrom dieses Sensors der mit dem TIA in eine proportionale Spannung gewandelt wird. Daneben befindet sich in dieser Messstation auch noch eine pH Elektrode (Spannungsquelle, ca 50mV/pH) und ein PT1000 Temperatur Messfühler. Diese drei Parameter werden aufbereitet und mittels eines mehrkanaligen AD-Wandlers von Analog (AD7794)digitalisiert. Laborbedingung sind es nicht, installiert wird in den Tropen unter freiem Himmel. Temperatur: maximaler swing ca 15°-40°. Betrieb rund um die Uhr und ein rauer Umgang mit der Mess-Station muss angenommen werden. Angesichts der Betriebsbedingungen wird das mechanisch Design noch eine Herausforderung. Man stelle sich vor Wasser, in noch so geringen Mengen, gelangt an die Sensorkontakte... Eine Frage an Öletronika hätt' ich doch noch: Was spricht gegen den Einsatz eines Chopper stabilisierten OPA's? allen ein angenehmes Wochenende
Hallo, > maxwaldo schrieb: > Was spricht gegen den > Einsatz eines Chopper stabilisierten OPA's? im Prinzip spricht nichts dagegen. Es ist aber nicht nötig. Ich will dir da auch keine Angst machen, aber als Techniker wählt man normal das Konzept, welches am simpelsten ist. Da solche OPV einen Oszilator on Chip haben, besteht die Möglichkeit, dass dieser bei nicht ganz sauberen Aufbau auch Störungen verursacht. Mit einem normalen OPV ist das nicht zu erwarten. Man sollte dann z.B. wissen, dass Schwebungsfrequenzen durch Überlagerung der Abtastfrequenz des ADC und des Choppers auftreten können. Gruß Öletronika
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