Entwurf einer "high impedance probe" (Rin > 5 GOhm), Wie zum Eingangswiderstand aus OPV Datenblatt?

[Martin (Gast)]

Hallo zusammen,
bei einem kapazitivem Näherungssensor(PCF8883 and PCA8886 - capacitive 
proximity switch) möchte ich die Lade/Entladespannung an einem externen 
(CPC) Kondensator über einen Zwischenverstärker am vorhandenen Oszi 
sichtbar machen.
In der AN10832 steht, es muss dafür eine spezielle Probe, zb ein 
Impedanzwandler angeschlossen werden:

This measurement must be done with a high impedance probe (Rin > 5 GOhm) 
since this point has a high resistance.
Measuring the voltage on the CPC capacitor is not usually possible since 
the impedance on pin CPC is too high for most
oscilloscope probes. The problem can be solved by using a high impedance 
probe (a voltage follower for example).
Alternatively, it is possible to use the following characteristic: On 
power-up, the internal capacitors are charged using 50 times the
normal charging current in order to stabilize the control loop as 
quickly as possible. During this time, it is possible to measure the
voltage at CPC correctly using a standard oscilloscope probe.


Alles klar, das verstehe ich soweit. Ich würde das im Betrieb überwachen 
und nicht nur beim startup. Ich hätte hier einen LPV511 oder einen 
LMV321 rumliegen. Nur wie lese ich da den Eingangswiderstand aus dem 
Datenblatt raus? Oder benötige ich gleich einen 
Instrumentierungsverstärker wie den AD620?

Das Ganze läuft mit single supply, also ich hab 0 bis 5V DC Messbereich, 
Signalfrequenz beträgt höchstens 3,3 kHz wenn ich das richtig verstehe 
(300µs).

[Falk B. (falk)]

Martin schrieb:
> Alles klar, das verstehe ich soweit. Ich würde das im Betrieb überwachen
> und nicht nur beim startup. Ich hätte hier einen LPV511 oder einen
> LMV321 rumliegen. Nur wie lese ich da den Eingangswiderstand aus dem
> Datenblatt raus?

Gar nicht. Denn meistens sind bei OPVs Eingangsströme definiert.

5 GOhm = 5V/1nA

Also wenn du unter 1nA Eingangsstrom hast, hast du auch um die 5GOhm bei 
5V. Bei 0V klappt die Rechnung nicht ganz, ist aber egal.

[Werner H. (werner45)]

Ein übliches pH-Meter hat etwa 100 Gigaohm Eingangswiderstand, 
Meßbereich um 1 V. Müßte auf 5 V anpaßbar sein, wenn man die Schaltung 
hat.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Martin schrieb:
> Ich hätte hier einen LPV511 oder einen LMV321 rumliegen. Nur wie lese
> ich da den Eingangswiderstand aus dem Datenblatt raus? Oder benötige
> ich gleich einen Instrumentierungsverstärker wie den AD620?

Kurze Antwort:

Wenn du keinen FET-Opamp vorrätig hast, dann nimm den LPV511 an 5V. Der
passt etwas besser als der AD620 und viel besser als der LMV321.

Lange Antwort:

Der Gleichtakteingangswiderstand ist bei den meisten Opamps so hoch,
dass sich kaum jemand dafür interessiert, deswegen ist er auch nur
selten in Datenblättern angegeben. Beim LPV511 ist er zwar nicht in den
Tabellen enthalten, aus den Diagrammen kann man ihn aber auf etwa 100GΩ
schätzen. Auch beim LMV321 dürfte er oberhalb der 5GΩ liegen, so dass du
dir darüber keine Gedanken machen musst.

Wichtiger ist daher der Eingangsruhestrom (Bias Current), die Frage ist
nur, wie große dieser sein darf. Die Spannung an Ccpc des PCF8883 sollte
laut Appnote bei optimaler Dimensionierung der externen Bauteile bei
etwa der halben internen Versorgungsspannung, also bei etwa 2V liegen.
Bei 2V und einem Tastkopf mit 5GΩ fließen 400pA. Diesen Wert würde ich
als Maximalwert für den Eingangsstrom des Opamps nehmen. Leider ist im
Datenblatt des PCF8883 der Strom mit dem Ccpc ge- und entladen wird,
nicht angegeben, sonst könnte man den Einfluss des Opamp-Eingangsstroms
genauer abschätzen.

Beim LMV321 liegt der Eingangsstrom je nach Versorgungsspannung bei 10nA
bis 16nA, damit scheidet er aus. Beim AD620 sind es 500pA, was schon
ganz gut ist.

Beim LPV511 springt der Eingangsstrom je nach Eingangsspannung zwischen
-320pA und +110pA¹, ist aber in beiden Fällen kleiner als die 400pA. Bei
5V Versorgungsspannung und 2V Eingangsspannung musst du von den -320 pA
ausgehen. Bei der minimal spezifizierten Versorgungsspannung von 2,7V
lägen die 2V Eingangsspannung in dem Bereich, wo der Eingangsstrom nur
+110pA beträgt. Allerdings liegt dann die Schwelle, an der der Strom auf
die -320pA springt, nicht weit unterhalb der 2V, so dass du bei der
Messung mit ständigen Sprüngen rechnen musst, was evtl. zu komischen
Messergebnissen führt. Ich würde deswegen den zwar höheren, dafür aber
weitgehend konstanten Eingangsstrom präferieren und deswegen den LMV321
mit 5V versorgen. Da liegt die Sprungschwelle bei 4V, wird also nie
erreicht.

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¹) Das hängt damit zusammen, dass der LPV511 ein Rail-to-Rail-Typ ist.

[OldMan (Gast)]

Von HP gibt es nV Meter (Bezeichnung habe gerade nicht, da Offsite) das 
hat 250 GOhm Eingangswiderstand. Mal den Schaltplan anschauen und gucken 
wie die das machen. Gibt es auch ein YT Video dazu.

[OldMan (Gast)]

HP 3442A

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

OldMan schrieb:
> Von HP gibt es nV Meter (Bezeichnung habe gerade nicht, da Offsite) das
> hat 250 GOhm Eingangswiderstand.

OldMan schrieb:
> HP 3442A

Das hat 10,2MΩ und 1mV Auflösung. Du meinst sicher ein anderes.

Edit: Ah, du hast wohl eine Null vergessen und meintest das 34420A.

Edit 2: Das hat zwar keine 250 GΩ, aber immerhin 10 GΩ, was für den
vorliegenden Zweck immer noch ausreichend wäre.

Ich glaube aber, der TE möchte mit einem Oszi messen und braucht dafür
einen Impedanzwandler, der auch AC kann:

Martin schrieb:
> Signalfrequenz beträgt höchstens 3,3 kHz wenn ich das richtig verstehe

[Pandur S. (jetztnicht)]

Es gibt OpAmps, welche auf niedere Eingangsstroeme spezialisiert sind, 
zB LPC661, LMC6001A

[DoS (Gast)]

Oder ADA4530-1. Einfach nach "Amplifier Elektrometer" suchen. Ich habe 
einmal einen Multipacting-Sensor bauen lassen, der hatte so einen 
Eingangswiderstand. Allerdings muss man mit den Kabeln aufpassen, weil 
normale Kabel beim Bewegen eine Ladungstrennung machen und man dann das 
Bewegen des Kabels misst (-> Teflon-Kabel gehen).

[Martin (Gast)]

Hallo zusammen,
ihr habt mir wirklich sehr weitergeholfen, ich probiere mal mit dem 
LPV511 und werde das mit den springenden Eingangsströmen beachten.
Danke! :)

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Martin schrieb:
> ich probiere mal mit dem LPV511 und werde das mit den springenden
> Eingangsströmen beachten.

So viel wirst du davon wahrscheinlich nicht bemerken, weil die Ströme ja
relativ klein sind und sie wegen des Kondensators keine Sprünge in der
gemessenen Spannung verursachen. Ich habe es nur der Vollständigkeit
halber erewähnt.