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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strommessung im Bereich 0A 3µA


Autor: Jan (Gast)
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Hallo zusammen,

es soll ein Strom gemessen werden, welcher im Normalfall bei ca. 200nA 
liegt und im Fehlerfall >1µA. Ich habe mir überlegt, dass ich das ganze 
über einen Messwiderstand und einer differentiellen Spannungsmessung 
realisiere. Als InAmp nehme ich einen AD623 der einen Gain von 1000 
erlaubt. Als Grösse für den Messwiderstand habe ich einen 1,6k 
Widerstand im Kopf, so dass ich bei 3µA (Obergrenze) ca. 4,8mV 
Spannungsdrop habe, der durch den InAmp auf 4,8V verstärkt wird und ich 
somit den Spannungsbereich meines ADC (Ref. 5V) gut aussteuer.
Soweit meine Theorie. Mich würde interessieren ob schon wer praktische 
Erfahrungen in diesem Bereich der Strommessung gesammelt. Ich habe die 
Befürchtung das ich am Ende nur noch Rauschen messe. Die Geschwindigkeit 
der Datenerfassung ist in meinem Fall nicht kritisch. Die Messung soll 
nicht sehr genau sein, aber es soll schon möglich sein das man sieht ob 
200nA fliessen oder 600nA. Eine Auflösung von 100nA wäre schon 
Akzeptabel.
Mich würde interessieren ob es etwas bringt, einen grösseren Shunt zu 
verwenden und mit dem Gain runterzugehen (ich hab bei dem DUT eine 
gewisse Toleranz, was die Versorgungsspannung angeht, welche 
letztentlich gemessen werden soll, so dass bei einem Spannungsdrop von 
sagen wir mal 200mV über den Messwiderstand noch nichts passiert).
Mich würde einmal eure Meinung interessieren, ob das gefühlt klappen 
könnte oder unmöglich ist.

Gruss
Jan

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Jan (Gast)

>es soll ein Strom gemessen werden, welcher im Normalfall bei ca. 200nA
>liegt und im Fehlerfall >1µA. Ich habe mir überlegt, dass ich das ganze
>über einen Messwiderstand und einer differentiellen Spannungsmessung
>realisiere. Als InAmp nehme ich einen AD623 der einen Gain von 1000

Nimm lieber einen Transimpedanzverstärker. Ein OPV mit 1nA Eingangsstrom 
und weniger gibts überall. Dazu 1 MOHm Feedbackwiderstand, macht bei 1uA 
= 1V. Mit 4,7 MOhm sogar 4,7V, prima per ADC auslesbar.

>Soweit meine Theorie. Mich würde interessieren ob schon wer praktische
>Erfahrungen in diesem Bereich der Strommessung gesammelt. Ich habe die

Ein wenig. Der Aufbau muss sehr sauber sein. Layout ist auch nicht ganz 
trivial. Guard Ring ist ein Stichwort.

>nicht sehr genau sein, aber es soll schon möglich sein das man sieht ob
>200nA fliessen oder 600nA. Eine Auflösung von 100nA wäre schon
>Akzeptabel.

Easy.

MfG
Falk

Autor: Detlev T. (detlevt)
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@Falk
Wollte ich auch gerade vorschlagen. Das Vorzeichen muss man beachten. 
Strom, der in den Eingang (virtuelles Massepotential) hinein(!)fließt, 
ergibt eine negative Spannung.

Autor: Jan (Gast)
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Dnake für eure Antworten,
ich hab mir das mal kurz mit dem Transimpedanzwandler angeschaut. Wenn 
ich das richtig sehe kann ich damit einen Strom in eine Spannungwandeln. 
Soweit schön und gut aber das Problem ist, das ich den Strom messen muss 
der von einem Bauteil verbraucht wird (sprich ich muss die Stromstärke 
von Vcc bestimmen). So wie ich das sehe ist das mit einem 
Transimpedanzwandler nicht möglich oder täusche ich mich da ?

Gruss
Jan

Autor: Detlev T. (detlevt)
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Denke schon: nicht invertierenden Eingang (+) des OpAMp auf VCC, Das IC 
aus dem Invertierenden Eingang (-) (über R) versorgen. Wenn ich jetzt 
keinen Fehler gemacht habe, müsste der OpAmp jetzt Uout=VCC+R*I liefern. 
VCC muss man dann noch mit einem zweiten OpAmp abziehen. Die OpAmps 
müssen natürlich mit diesen Spannungen arbeiten können, brauchen also 
eine höhere und ggf. symmetrische Versorgungsspannung.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Jan (Gast)

>der von einem Bauteil verbraucht wird (sprich ich muss die Stromstärke
>von Vcc bestimmen).

Das kann man genausogut im Massezweig messen.

MFG
Falk

Autor: Philipp Co (ba4_philipp)
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Wenn Du eh langsam messen kannst würde ich lieber Deine Variante mit dem 
Elektrometerverstärker aufbauen. Der "glättet" es auch gleich. Beides 
aber kein Problem, wir messen hier im Bereich von pA (das allerdings mit 
Transimpedanzwandler, weil eine gewisse Bandbreite erforderlich ist, die 
ich in der anderen Schaltung nicht so einfach erreichen konnte. Messung 
des Stromes war aber möglich)

Gruß Philipp

Autor: Detlev T. (detlevt)
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@Falk:
Da setzt du aber voraus, dass kein (Netto-)Strom durch Ein- oder 
Ausgänge in den Baustein hinein oder aus ihm heraus fließt. Wie 
realistisch ist das?

Autor: Philipp Co (Gast)
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@Detlev meinst Du in den OP?

Autor: Detlev T. (detlevt)
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@Philipp Co
Nein. Ich meine das Bauteil, dessen Belastung von VCC Jan messen will. 
Welches Bauteil das ist, weiß ich nicht. Ich gehe aber davon aus, dass 
es mehr als ein Widerstand sein dürfte.

Autor: Philipp Co (Gast)
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Na, aber wenn Du es so genau nimmst, dann musst Du ja echt jeden Pin 
messen und nacher die Summe aller Ströme bilden. Es kann bei der Vcc 
Messung ja auch sein, dass ein Strom in einen Eingang rein fließt und 
nicht raus und so ebenso an der Messung vorbei. (Was ja sogar 
warscheinlich ist, wenn man durch einen Shunt noch eine 
Spannungsdifferenz ziwschen Versorgung und Vcc des Bauteils hat, da ist 
der Transimpedanzwandler auch im Vorteil)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Philipp Co (Gast)

>Na, aber wenn Du es so genau nimmst, dann musst Du ja echt jeden Pin
>messen und nacher die Summe aller Ströme bilden. Es kann bei der Vcc
>Messung ja auch sein, dass ein Strom in einen Eingang rein fließt und
>nicht raus und so ebenso an der Messung vorbei. (Was ja sogar

Eben. Womit die Messung im Massezweig wieder von Vorteil ist. Braucht 
aber ne negative Versorgung für die OPVs.

MFG
Falk

Autor: Detlev T. (detlevt)
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Philipp Co wrote:
> Es kann bei der Vcc
> Messung ja auch sein, dass ein Strom in einen Eingang rein fließt und
> nicht raus und so ebenso an der Messung vorbei.

An die Kirchhoffschen Regeln glauben wir aber schon noch, oder?

Die von Jan vorgegebene(!) Aufgabenstellung ist:
>Soweit schön und gut aber das Problem ist, das ich den Strom messen muss
>der von einem Bauteil verbraucht wird (sprich ich muss die Stromstärke
>von Vcc bestimmen).

Ob der dann am PinY, der mit GND verbunden wird, herauskommt oder an 
einem anderen Anschluss, interessiert ihn nicht. Zumindest habe ich das 
so verstanden.

Autor: lontano (Gast)
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Och der gute alte (Spiegel)Galvanometer seufzt.Och diese 
Computerbanausen!
...haben keine Ahnung von der Vergangenheit...war alles fuer die Katz !?

Autor: Uwe Bonnes (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)
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Shunt und LT2440 als Sigma Delta Wandler. 6 Dekaden Aufloesung bei bei 
+/- 2 Volt Vollausschlag machbar, d.h. man kann auch mit sehr kleinen 
Shuntwiderstaenden noch vernueftig messen.

Autor: Philipp Co (Gast)
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@Detlev Wenn es zB ein Digital IC ist und Du einen Logikpegel anlegst 
bei dem die Spannung höher ist als Vcc (was ja nicht unwarscheinlich ist 
durch den Shunt) warum sollte dann kein Strom in das IC fliessen?

Autor: Torben (Gast)
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Bevor Ihr hier weiter diskutiert solltest Ihr den OP ein paar Fragen 
stellen.

Wird die Schaltung über RS232 / USB an den PC angeschlossen? Wenn ja, 
dann ist eine galvanischen Trennung pflicht, wegen Messverfälschungen 
über die Masse.

Der Verstärungsfaktor ist extrem hoch und eventuell sollte man mit einem 
24Bit oder 16Bit ADC die Spannung messen und die Verstärkung entwas 
tiefer ansetzen.

Der Aufbau im Massezweig mit einem guten OP ist ein guter Vorschlag, 
aber persönlich würde ich den INA138 / 168 nehmen und eine 
Differtentialmessung bevorzugen.

Autor: Detlev T. (detlevt)
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Philipp Co wrote:
> @Detlev Wenn es zB ein Digital IC ist und Du einen Logikpegel anlegst
> bei dem die Spannung höher ist als Vcc (was ja nicht unwarscheinlich ist
> durch den Shunt) warum sollte dann kein Strom in das IC fliessen?

Ich verstehe diesen Text nicht.

Wo lege ich einen Logikpegel an? Ich weiß es zwar nicht genau, aber ich 
gehe davon aus, dass es sich nicht um einen Eingang, sondern um die 
Stromversorgung eines Bauteils geht. Und welche Spannung ist wo warum 
durch welchen Shunt höher? Solange der OpAmp korrekt arbeitet, liegt am 
invertierenden Eingang doch die gleiche Spannung wie am 
nicht-invertierenden, und das ist VCC. (Stichwort: virtueller 
Kurzschluss)

Autor: Philipp Co (Gast)
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Hups sorry, dachte Du sprichst noch vom einfachen Shunt und dann einfach 
die Spannung darüber messen. Klar, nach Deiner Beschreibung von oben ist 
es natürlich Quark.
Wer lesen kann.... :)

Autor: sechsminuszwei (Gast)
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Bisher kam viel Geschwafel. Die wesentlichen Punkte sind : Was ist der 
Offset des Verstaerkers. Bei hohen Verstaerkungen kommt der Offset voll 
rein. Dem kann man abhelfen durch mehr Spannungsabfall am Shunt. Die 
erst genannten 6mV sind auf der kleinen Seite. Der verwendete OpAmp, 
oder InstAmp sollte einen hinreiched kleinen Offset haben und einen 
Eingangsstrom, der einiges kleiner als der normale Strom ist. Das wuerde 
auf einen Chopper Amp mit FET Eingang hinweisen.

Autor: Jan (Gast)
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Danke für die Antworten soweit!
Wegen der Stromaufnahme: Es interessiert tatsächlich nur die VCC. Das IC 
(tatsächlich ein ASIC) kann in einen Testmode versetzt werden (IDDQ) bei 
dem sämtliche Analogteile (oszillator etc.) abgeschaltet werden. Vorher 
fließen ca. 8mA im IDDQ-Mode dann nur noch 100nA (ca.).
Wenn sich das ASIC in dem IDDQ-Mode befindet, wird ein Testpattern über 
eine Testschnittstelle eingespeist (Aufbau ähnlich einer SPI), und nach 
jeder Clock die Stromaufnahme gemessen. Ein weiteres Problem an dieser 
Stelle, sind die Stromspitzen beim Clocken (kurzer Kurschlussstrom der 
Transistoren beim Umschalten).
Aus diesem Grund kommt ein weiteres Problem zum tragen:
Der Shunt (ich denke ich werde das ganze über eine differentielle 
Spannungsmessung mit einem grossen Messwiderstand realisieren) muss beim 
Takten überbrückt werden. Ich wollte das ganze mit ca. 1kHz takten, was 
mich zu dem Problem führt einen passenden Schalter zum überbrücken des 
Messwiderstandes zu finden.
Ein Relais ist vom verhalten er ideal, allerdings zu langsam. Meine Idee 
wäre es jetzt einen FET-Transistor zu nehmen, der im "Messfall" Sperrt 
und im "Taktfall" den Widerstand überbrückt. Habe da an einen BS170 
gedacht, aber erste Tests im Labor konnten mich nicht ganz überzeugen. 
Ich suche einen Transistor mit geringen Stromfluss im gesperrten Zustand 
und niedrigen Widerstand im leitenden Betrieb.
Die Versorgungsspannung (von 3,3V) wird vin einer Laborspannungsquelle 
geliefert.
Siehe auch: Beitrag "elektrischer Schalter"

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Jan (Gast)

>Aus diesem Grund kommt ein weiteres Problem zum tragen:
>Der Shunt (ich denke ich werde das ganze über eine differentielle
>Spannungsmessung mit einem grossen Messwiderstand realisieren)

Halte ich nicht für sinnvoll. Warum habe ich bereits mehrfach 
geschrieben.

>Takten überbrückt werden. Ich wollte das ganze mit ca. 1kHz takten, was
>mich zu dem Problem führt einen passenden Schalter zum überbrücken des
>Messwiderstandes zu finden.

Ein Kondensator tuts locker. 100nF oder so.

MG
Falk

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