für einen Langzeittest einer Schaltung ist es meine Aufgabe, eine Platine zu entwerfen mit der sich die Stromaufnahme der Schaltung überwachen lässt.
Vorgabe ist ein Shunt, der nicht größer als 1Ω sein soll.
Außerdem soll es zwei Messbereiche geben, die über zwei separate Ausgänge an der Platine den Strom in einer Spannung von 0,1V bis 3V ausgeben. Die Messbereiche sind einmal 0,1-150μA und 0,1-150mA.
In der Theorie habe ich mir schon ein bisschen was überlegt (siehe Anhang), unter anderem inspiriert anhand des μCurrent von David Jones https://www.eevblog.com/projects/ucurrent/ .
Leider merke ich aber, dass ich bisher eher "grobmotorisch" unterwegs war und habe große Sorge, dass grade bei so kleinen Strömen und Spannungen, die ich versuche so hoch zu verstärken auf Probleme Stoße, die ich bisher noch gar nicht kenne...
Daher meine Frage an euch: Macht das mit der Schaltung Sinn, so wie ich mir das überlegt habe? Ich habe vor allem angst vor dem kleinen Strom durch den kleinen Widerstand und dadurch auch die entsprechend kleine Spannung...
Ich würde eigentlich lieber mit verschiedenen Shunts für die Messbereiche arbeiten, es soll aber nichts umgeschalten werden...
Die Schaltung beachtet gerade noch nicht den 0,1V offset (also bei der Spannungsausgabe, man möchte hier den Unterschied zwischen es fließt kein STrom und die Schaltung ist aus sehen), da ich an der Stelle noch ein wenig hänge. Mir wurde empfohlen, bei der Verstärkung mit Kaskadierung zweier OPs zu arbeiten, um in der ersten Verstärkungsstufe das Rauschen möglichst klein zu halten. Jetzt ist meine Überlegung am zweiten OP jeweils einen Spannungsteiler an den nicht invertierenden Eingang zu hängen um den Ausgang um 0,1V anzuheben. Auch hier die Frage, macht das Sinn? Oder wäre ein zusätzlicher Addierer am Ausgang eine bessere Option?
Vielen Dank auf jeden Fall schonmal an jeden, der sich die Mühe macht das ganze durchzulesen und zu antworten <3
Ich bin für jede Art von Tipps und Hinweisen dankbar!
Das heisst die Spannung ist 0,1 bis 150µV am Shunt.
Und das willst du dann auf 3V verstärken, also Faktor 20000.
Man kann so kleine Spannungen messen, aber das ist nicht mehr trivial. Und ganz bestimmt nicht mit zwei Feld Wald und Wiesen OPs.
Dir ist ausserdem klar, dass die zu messende Schaltung und deine Messschaltung nicht galvanisch getrennt sind?
Und auch Rail to Rail OPs an ihren Rails nicht mehr besonders präzise.
Vorgabe ist ein Shunt, der nicht größer als 1Ω sein soll.
Wer hat diese Vorgabe gemacht? Der sollte dir zumindest dann auch sagen können mit welcher Genauigkeit das gemessen werden soll und was du dazu für OPs nehmen sollst
Man kann so kleine Spannungen messen, aber das ist nicht mehr trivial.
Und ganz bestimmt nicht mit zwei Feld Wald und Wiesen OPs.
Hier dachte ich an den MAX4239, den auch David Jones in seinem μCurrent verwendet hat. In erster Linie wegen dem "near-zero DC offset". Falls ich soweit komme, werde ich es auf jeden Fall mal mit zwei Feld Wald und Wiesen OPs ausprobieren, möchte die Erfahrung machen wie sich die Unterschiede in der Realität bemerkbar machen.
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/MAX4238-MAX4239.pdf
1 Ohm mit dem Ziel 0.1uA also 0.1uV messen zu wollen ist unrealistisch, die besten OpAmps haben 1uV Abweichung, aber schon eine Lötstelle hat leicht 5uV Thermospannung.
Deine Aufgabe ist nicht-trivial und wird üblicherweise anders gelöst, z.B. durch Messung der Entladung eines stromversorgenden Kondensators über die Zeit oder Versorgung über eine nachgeregelte Stromquelle.
Realistischer bei 1 Ohm ist 10uA Genauigkeit, wobei die per sigma delta oder dual slope gemessen werden sollte und nicht per sampling.
Es gibt reichlich Literatur zum Problem mit unterschiedlichsten Ansätzen.
Egal wer dir die Aufgabe gestellt hat: eine derart grobe
Bereichsaufteilung macht kaum Sinn.
Woher kennst du das Ziel der Messungen?
Wenn es darum geht, z.B. bei einem kleinen µC Stromaufnahme für verschiedene Modi (Betrieb, Tiefschlaf) zu messen, kann das durchaus angemessen sein. Der schaltet ähnlich grob um.
ESPxx würde so allerdings noch rausfallen.
In der Theorie habe ich mir schon ein bisschen was überlegt (siehe
Anhang)
Als erster Unfug fällt mir auf, dass zwie identische Verstärker (IC1/IC2) parallel am Shunt hängen.
Dann sehe ich IC3 mit 1k|2Meg und bezweifele, dass er diese Verstärkung zuverlässig bringen wird. Das darf man auf IC1 und IC3 verteilen: 141x141 ergibt auch 20000.
Aber egal wie, Meßsignale um / unter 1µV sauber aufzulösen, ist etwas für erfahrene Meßtechnik-Entwickler und nicht hier im Forum erklärbar.
Wenn es darum geht, z.B. bei einem kleinen µC Stromaufnahme für
verschiedene Modi (Betrieb, Tiefschlaf) zu messen, kann das durchaus
angemessen sein.
Genau, das sollte das ursprüngliche Ziel der Schaltung sein, sorry, das hätte ich als Info dazunehmen sollen.
Inwieweit also ein "Schätzeisen" reicht muss ich unbedingt nochmal abklären.
Aber egal wie, Meßsignale um / unter 1µV sauber aufzulösen, ist etwas
für erfahrene Meßtechnik-Entwickler und nicht hier im Forum erklärbar.
Wie steht es um die unsaubere Machbarkeit? Würde der versuchsweise Aufbau einer solchen Schaltung Erfahrungswerte bringen oder ist das Geld von vornerein zum Fenster rausgeschmissen?
Ich werde so langsam sehr neugierig auf den Praxis-/Realitätsvergleich.
Mehr als Anregungen wird man Dir hier nicht geben können.
In "The Art of Electronics" gibt es ein Kapitel dazu: Precision Circuits.
Dort werden alle wesentlichen Punkte (Error Budget, Schaltungstechnik, Auswahl der Bauteile, etc.) behandelt und auch, im Unterkapitel "Designs by the masters", ein Beispiel für ein Schaltungsdesign diskutiert (Ein DMM von Agilent).
Nachdem Du Dich damit beschäftigt hast, wirst Du die Machbarkeit besser einschätzen können und kannst mit Deinem Auftraggeber in die Diskussion gehen.
Das darf man auf IC1 und IC3 verteilen: 141x141 ergibt auch 20000.
Manfred P. schrieb:
Aber egal wie, Meßsignale um / unter 1µV sauber aufzulösen, ist etwas
für erfahrene Meßtechnik-Entwickler und nicht hier im Forum erklärbar.
Wie steht es um die unsaubere Machbarkeit? Würde der versuchsweise
Aufbau einer solchen Schaltung Erfahrungswerte bringen oder ist das Geld
von vornerein zum Fenster rausgeschmissen?
Wenn Du die Zeit und Möglichkeiten hast, baue es auf und mache Messungen. Ich selbst habe viel an Schaltungen gelernt, die nicht taten, was ich gerne wollte.
Ich werde so langsam sehr neugierig auf den Praxis-/Realitätsvergleich.
Genau den bekommst Du, wenn Du es aufbaust. Ein paar Euro für die Bauteile tun nicht wirklich weh, die erworbene Praxis ist langfristig viel mehr wert.
für einen Langzeittest einer Schaltung ist es meine Aufgabe, eine
Platine zu entwerfen mit der sich die Stromaufnahme der Schaltung
überwachen lässt.
Vorgabe ist ein Shunt, der nicht größer als 1Ω sein soll.
Außerdem soll es zwei Messbereiche geben, die über zwei separate
Ausgänge an der Platine den Strom in einer Spannung von 0,1V bis 3V
ausgeben. Die Messbereiche sind einmal 0,1-150μA und 0,1-150mA.
In der Theorie habe ich mir schon ein bisschen was überlegt (siehe
Anhang), unter anderem inspiriert anhand des μCurrent von David Jones
https://www.eevblog.com/projects/ucurrent/.
Das die 1R als festen Wert für beide Messbereiche ungünstig ist wurde Dir von mehreren Usern schon ausführlich erklärt. Bei sehr kleinen Strömen macht ein so kleiner Widerstand einfach keinen Sinn.
Wenn es tatsächlich eine Vorgabe ist würde ich daher darüber mit dem Auftraggeber reden.
Den uCurrent von David Jones hast Du ja bereits gefunden. Es gibt noch so ein Teil. Quasi eine Weiterentwicklung, wenn auch nicht von David. Dieser Current Ranger hat eine automatische Bereichswahl und deckt Deine gewünschten Messbereiche bei weitem ab. Vielleicht inspiriert er Dich für weitere Überlegungen. Vielleicht kannst Du ihn sogar verwenden.
Hier der Link zum dem Messverstärker und zu 2 interessanten Videos:
Das die 1R als festen Wert für beide Messbereiche ungünstig ist wurde
Dir von mehreren Usern schon ausführlich erklärt. Bei sehr kleinen
Strömen macht ein so kleiner Widerstand einfach keinen Sinn.
Das ist natuerlich grundsaetzlich richtig, ich verwende deshalb bei meinem eigenen Messgeraet unterschiedliche Messkoepfe wo ich verschiedene Messbereiche umstecken kann. Aber es haette natuerlich einen gewissen Charme wenn man einen sehr breiten Bereich mit einem Shunt abdecken koennte. Vor allem vor diesem Hintergrund:
Wenn es darum geht, z.B. bei einem kleinen µC Stromaufnahme für
verschiedene Modi (Betrieb, Tiefschlaf) zu messen, kann das durchaus
angemessen sein.
Genau, das sollte das ursprüngliche Ziel der Schaltung sein, sorry, das
hätte ich als Info dazunehmen sollen.
Aus genau diesem Grund mache ich das auch. Daraus leiten sich aber sehr schnell ein paar weitere Forderungen ab an die man zunaechst nicht denkt:
Man will eine relativ hohe Bandbreite haben. Meine Schaltung
liegt bei 200khz. Nur damit kann man z.B sehen wenn ein Controller
mal kurz etwas macht das viel Strom kostet. Das ist beim Debugging
oder der Systemoptimierung sehr interessant!
Man will manchmal auch eine sehr geringe Bandbreite haben um so
an Mittelwerte zu kommen. Das erlaubt es einen die aktuelle
Leistungsaufnahme abzuschaetzen.
Man will einen Analogausgang haben den man an seinem Oszi
anschliessen kann und KEINEN Digitalenausgang den man am Rechner
per USB anschliesst. Der Grund ist das man seine Messungen gerne
in einem zeitlichen Bezug zu anderen Dingen setzen moechte.
Zum Beispiel kann man dann bei Eintritt in eine Funktion eine
Leitung am Controller setzen und weiss dann genau was diese
Funktion verbraucht. Oder man hat auf einem Kanal die
Versorgungsspannung und sieht wie sich die Leistungsaufnahme aendert
wenn eine Batterie mehr oder weniger geladen ist.
Ausserdem hat man im Oszi ja schon so Dinge wie Multiplikation
und Integration die man sicher schon immer mal nutzen wollten. .-)
Da man nicht genau weiss wo man immer messen will, aber sicher NICHT
im GND einer Schaltung, moechte man potentialfrei messen.
Dann kann man seinen Widerstand ueberrall dazwischenklemmen und
es stoert die Funktion der Schaltung nicht. Das hat bei mir
zum groessten Aufwand gefuehrt. (analoge Uebertragung ueber
zwei linearisierte Optokoppler die ich mit allen Tricks auf 200khz
Bandbreite gezogen habe)
Deshalb habe ich dann bei mir auf die Umschaltung der Verstaerkung
an einem identischen Shunt verzichtet weil Bandbreite und geringes
Rauschen wichtiger ist.
Ich haenge mal drei Beispielbilder an. Sie zeigen das Startverhalten
eines STM32L451 mit einem angehaengten OLED der sich zu Anfang initialisiert. Triggerzeitpunkt war das loslassen des Resettaster. Dabei zeige ich dasselbe mit drei unterschiedlichen Filtergrenzfrequenzen. Zusaetzlich zu festen Grenzfrequenzen habe ich auch noch einen Tiefpass mit einstellbarer Grenzfrequenz auf Basis einen LM13700 gemacht. Letzeres ist nicht unbedingt notwendig, macht aber Spass wenn man mal was mit analog entwickeln will und ich fand die LM13700 schon immer cool. .-)
Eine kleine Berichtigung, losgelassen habe ich den Resettaster bei t-3ms, erkennt man daran das dort der Strom durch den Pullupwiderstand am Taster wegfaellt. .-)
Der HM8112 hat im 100µA bereich einen 0,1 Ohm Shunt.
Quelle? Das wird der Shunt für den 1A Bereich sein!
Bevor man hier diskutiert, ob es nicht unmöglich ist 100nV auf 10nV langzeitstabil genau zu messen, wäre sinnvoll zu wissen, was der Auftraggeber eigentlich machen will. Ist es die Stromaufnahme eines Mikrocontrollers, die im Sub µs Bereich schwankt? Dann muss man auch an die Bandbreite denken, bzw ob die angedachte Messmethode überhaupt geeignet ist!
Ist es die Stromaufnahme eines Mikrocontrollers, die im
Sub µs Bereich schwankt?
Das hat er oben ja bestaetigt. Siehe mein Zitat.
Dann muss man auch an die Bandbreite denken,
Genau das ist der Punkt! Man braucht bei modernen Schaltungen eine gewisse Bandbreite. Und die fuehrt dann natuerlich wieder zu Rauschen weil man nicht beliebig filtern/mitteln kann. Garnicht davon zu reden das OPs nur eine begrenzte GBW haben.
Als ich das entwickelt habe, haette ich gerne 1Mhz gehabt, habe aber leider nur 200khz geschafft. Das hat sich in der Praxis aber als ausreichend herausgestellt. Zumindest fuer meine Probleme, mag ja beim TO anders sein, aber da muss man zuerst mal eine Anforderung definieren sonst kann man nichts entwickeln.
Bevor man hier diskutiert, ob es nicht unmöglich ist 100nV auf 10nV
langzeitstabil genau zu messen, wäre sinnvoll zu wissen, was der
Auftraggeber eigentlich machen will.
Wahrscheinlich den neu eingestellten Jungspund testen.
Mal eben eine einfache Aufgabe stellen, klar, kein Problem, bloss ausreichend verstärken, und dann zugucken, wie er Problem um Problem entdeckt und wann er verstanden hat, dass dieses Messeproblem es wohl doch in sich hat und ganz anders gelöst werden muss.
Bevor ich da schwere Geschütze auffahre, würd ich den Auftraggeber ja erstmal den fixen 1Ω-Shunt begründen lassen. Oft stellt man dann fest, dass er vollkommen falsche Annahmen hatte. Und falls es wider Erwarten doch begründbar ist, weiß man anschließend besser, auf was es bei der Messung wirklich ankommt.
Ich würde außerdem eine negative Versorgung vorsehen, damit man auch nahe 0V noch ausgeben kann. Dazu kann man einen PWM-Ausgang des MC nehmen oder einen 7660.
Für das messen kleiner Ströme nimmt man vorzugsweise einen TIA.
Wenn man eine zu vermessende Stromquelle (z.B. Photodiode) hat und die immanente Bandbreiteneinschränkung nicht stört. Beim in wenigen Nanosekunden über zig Dekaden schwankenden Versorgungsstrom eines Mikrocontrollers ist der komplett am Thema vorbei.
Beim in wenigen
Nanosekunden über zig Dekaden schwankenden Versorgungsstrom eines
Mikrocontrollers ist der komplett am Thema vorbei.
Wie kommst Du darauf?
Keiner will CPU-Zyklen ausmessen, sondern die Unterschiede beim Umschalten von Peripherie und Stromsparoptionen. Außerdem glätten die vorgeschriebenen Abblockkondensatoren der CPU die Spitzen eh weg.
Ein TIA ist daher völlig ausreichend.
Wer Angst hat, kann aber mit einem schnellen OPV nachsteuern, falls dochmal die Spannungsdifferenz 10mV übersteigt, bis der TIA wieder eingeschwungen ist. Der schnelle OPV ist quasi eine Klemmdiode mit 10mV Flußspannung parallel zum Meßeingang. Am 1Ω Shunt würden dagegen bis zu 150mV abfallen.
Der TIA ist viel einfacher zu beherrschen, als 100nA an 1Ω verstärken zu müssen. Auch die 150mA sind für den TIA kein Problem, einfach nen Emitterfolger als Booster.
Beim in wenigen
Nanosekunden über zig Dekaden schwankenden Versorgungsstrom eines
Mikrocontrollers ist der komplett am Thema vorbei.
Wie kommst Du darauf?
Keiner will CPU-Zyklen ausmessen, sondern die Unterschiede beim
Umschalten von Peripherie und Stromsparoptionen. Außerdem glätten die
vorgeschriebenen Abblockkondensatoren der CPU die Spitzen eh weg.
Ein TIA ist daher völlig ausreichend.
Wer Angst hat, kann aber mit einem schnellen OPV nachsteuern, falls
dochmal die Spannungsdifferenz 10mV übersteigt, bis der TIA wieder
eingeschwungen ist. Der schnelle OPV ist quasi eine Klemmdiode mit 10mV
Flußspannung parallel zum Meßeingang. Am 1Ω Shunt würden dagegen bis zu
150mV abfallen.
Der TIA ist viel einfacher zu beherrschen, als 100nA an 1Ω verstärken zu
müssen. Auch die 150mA sind für den TIA kein Problem, einfach nen
Emitterfolger als Booster.
Ich stehe gerade ein wenig auf dem Schlauch:
Mit dem TIA messe ich den Strom einer Stromquelle. Der OpAmp fungiert dabei als Stromsenke. Bei der hier vorliegenden Messaufgabe ist aber das DUT die Stromsenke. Willst Du den Strom in das DUT mit einem Stromspiegel duplizieren und dort dann mit dem TIA messen?
Ist doch vom Strombereichsumsfang und dem Ansatz (2 umschaltbare Bereiche) sehr nah an Deiner Aufgabenstellung (trotzdem es schon 8 Jahre im Netz steht).
Für das messen kleiner Ströme nimmt man vorzugsweise einen TIA.
Wenn man eine zu vermessende Stromquelle (z.B. Photodiode) hat und die
immanente Bandbreiteneinschränkung nicht stört. Beim in wenigen
Nanosekunden über zig Dekaden schwankenden Versorgungsstrom eines
Mikrocontrollers ist der komplett am Thema vorbei.
Nein, genau das Gegenteil ist der Fall:
Die Bandbreite eines TIA ist im Vergleich zu einer Kombination aus Shunt
und einem auf demselben Opamp basierenden nichtinvertierenden Verstärker
mit der Spannungsverstärkung A um dein Faktor A größer. Das ist einer
der Gründe, warum TIAs u.a. dort eingesetzt werden, wo es auf sehr hohe
Bandbreiten ankommt, bspw. in der Glasfaserkommunikation.
Wichtig ist nur, dass der Opamp-Ausgang mit dem Strom des DUT nicht
überfordert wird, aber nach der Beschreibung des TE liegt der zu
messende Strom wohl eher im mA-Bereich. Ggf. kann man einen kräftigeren
Opamp nehmen oder den Ausgangsstrom mit einem zusätzlichen Transistor
verstärken.
Mit dem TIA messe ich den Strom einer Stromquelle. Der OpAmp fungiert
dabei als Stromsenke. Bei der hier vorliegenden Messaufgabe ist aber das
DUT die Stromsenke.
Das macht nichts aus. Der TIA wird einfach dort angeschlossen, wo sonst
der Shunt wäre.
Willst Du den Strom in das DUT mit einem
Stromspiegel duplizieren und dort dann mit dem TIA messen?
Nein. Der OPV regelt der Strom so aus, daß an seinem Eingang immer 0V anliegen. Der maximale Strom muß also vom Netzteil des TIA geliefert werden.
Am Rückkopplungswiderstand fällt dann die entsprechende Spannung ab, die man messen kann. Z.B. 3V an 20Ω bei 150mA.
Aus Sicht des Meßkreises sieht man aber 0V und demzufolge 0Ω.
Willst Du den Strom in das DUT mit einem
Stromspiegel duplizieren und dort dann mit dem TIA messen?
Nein. Der OPV regelt der Strom so aus, daß an seinem Eingang immer 0V
anliegen. Der maximale Strom muß also vom Netzteil des TIA geliefert
werden.
Am Rückkopplungswiderstand fällt dann die entsprechende Spannung ab, die
man messen kann. Z.B. 3V an 20Ω bei 150mA.
Grrr!
Das ist nicht die Frage gewesen. Irgendwie reden wir aneinander vorbei.
Die Bandbreitenerhöhung des TIAs gilt, wenn Shunt und Rückkoppelwiderstand des TIAs gleich groß sind. Ein ausreichend kleiner Shunt ist immer um Welten schneller als ein TIA und es gibt keine Probleme mit dem Regelverhalten. Dass der Eingang des TIAs nämlich immer auf 0V liegt, ist reine Wunschvorstellung.
Das macht nichts aus. Der TIA wird einfach dort angeschlossen, wo sonst
der Shunt wäre.
Du wiederholst einfach nur genau die Aussage, die ich nicht verstehe!
Im Anhang zwei Beispiele, wie der TIA mit dem DUT verschaltet werden
kann. Bei der linken Schaltung ist die dem Strom proportionale
Ausgangsspannung negativ, was evtl. für die nachfolgende Auswertung
einen Nachteil darstellt. In der rechten Schaltung wird das Ganze
umgedreht, so dass die Ausgangsspannung positiv ist, dafür haben DUT und
Messschaltung nicht mehr dieselbe Masse, was aber vermutlich akzeptabel
ist.
Dass der Eingang des TIAs nämlich immer
auf 0V liegt, ist reine Wunschvorstellung.
Ich haette bei solchen Overingeneered-Loesungen vor allem
ein Problem mit der Frage wo kommt die Energie fuer die aktive
Loesung her? Welchen Aufwand muss ich damit treiben, wie
ist eigentlich das Einschaltverhalten? Letzeres vor allem
wenn man kurz grosse Stroeme fuer Kapazitaeten liefern muss
oder man vor einem Schaltregler messen will.
Die Bandbreitenerhöhung des TIAs gilt, wenn Shunt und
Rückkoppelwiderstand des TIAs gleich groß sind.
Ja, ich mich meine Aussage von oben ein wenig korrigieren, da ich
irrtümlicherweise davon ausgegangen bin, dass sich das DUT wie eine
Fotodiode verhält, die ein typischer Anwendungsfall für einen TIA ist.
Da der Innenwiderstand des DUT (d.h. der Mikrocontrollerschaltung) im
Gegensatz zur Fotodiode nicht als näherungsweise unendlich angenommen
werden kann, hat dies auch einen Einfluss auf die Bandbreite.
Trotzdem wird der TIA i.Allg. besser abschneiden als der Shunt.
Rechenbeispiel:
Der Strom soll mit einer Transimpedanz von 1kΩ in eine Spannung
umgewandelt werden, d.h. 1mA sollen am Ausgang 1V liefern. Der
Einfachheit nehmen wir an, dass die Messschaltung nur einen einzelnen
Opamp mit einer gegebenen GBW enthalten soll (das Geschriebene gilt
sinngemäß auch für mehrere Verstärkerstufen).
Mit einem Shunt von 1Ω muss der Spannungsabfall um den Faktor 1000
verstärkt werden. Die Bandbreite ist also GBW/1000.
Beim TIA muss der Gegenkopplungswiderstand gleich der gewünschten
Transimpedanz, also 1kΩ sein. Nehmen wir an, der Innenwiderstand des DUT
sei ebenfalls 1kΩ, dann ist die Bandbreite gleich GBW/2, also um den
Faktor 500 höher als bei der Shunt-Lösung.
Das macht nichts aus. Der TIA wird einfach dort angeschlossen, wo sonst
der Shunt wäre.
Du wiederholst einfach nur genau die Aussage, die ich nicht verstehe!
Im Anhang zwei Beispiele, wie der TIA mit dem DUT verschaltet werden
kann. Bei der linken Schaltung ist die dem Strom proportionale
Ausgangsspannung negativ, was evtl. für die nachfolgende Auswertung
einen Nachteil darstellt. In der rechten Schaltung wird das Ganze
umgedreht, so dass die Ausgangsspannung positiv ist, dafür haben DUT und
Messschaltung nicht mehr dieselbe Masse, was aber vermutlich akzeptabel
ist.
Das sind einfach invertierende Verstärker, die am Ausgang die Spannung -3,3V*R_1/R_DUT erzeugen werden.
Es ist eben ein Unterschied, ob das DUT eine Last oder eine Stromquelle ist. Oder nicht? Habe ich da einen Denkfehler?
Das sind einfach invertierende Verstärker, die am Ausgang die Spannung
-3,3V*R_1/R_DUT erzeugen werden.
Und das ist -R_1*I_DUT. Der Vorteil gegenüber dem einfachen Shunt ist, dass die Spannung über DUT immer 3,3V ist, unabhängig vom Strom durch das DUT (in der Theorie zumindest, d.h. solange der OPV regeln kann).
Der Strom soll mit einer Transimpedanz von 1kΩ in eine Spannung
umgewandelt werden, d.h. 1mA sollen am Ausgang 1V liefern. Der
Einfachheit nehmen wir an, dass die Messschaltung nur einen einzelnen
Opamp mit einer gegebenen GBW enthalten soll (das Geschriebene gilt
sinngemäß auch für mehrere Verstärkerstufen).
Mit einem Shunt von 1Ω muss der Spannungsabfall um den Faktor 1000
verstärkt werden. Die Bandbreite ist also GBW/1000.
Beim TIA muss der Gegenkopplungswiderstand gleich der gewünschten
Transimpedanz, also 1kΩ sein. Nehmen wir an, der Innenwiderstand des DUT
sei ebenfalls 1kΩ, dann ist die Bandbreite gleich GBW/2, also um den
Faktor 500 höher als bei der Shunt-Lösung.
Das ist schon ein enormer Unterschied.
Mal ab davon, dass die Impedanz des DUTs wohl eher im unteren Ohmbereich und darunter liegen wird (vorallem bei höheren Frequenzen, durch die Kondensatoren, dann schwingt so ein TIA auch ganz zügig, Stichwort Noisegain), die eventuell geringere Bandbreite des Ausgangs kann einfach durch kaskadieren von mehreren Verstärkerstufen hinterm Shunt ausgeglichen werden.
Das viel wichtigere aber: Der Shunt hat immer 1Ω, völlig egal ob die nachfolgende Auswerteelektronik dynamisch mitkommt oder nicht. Beim TIA muss man sich hingegen darauf verlassen, dass der OPV schnell genug auf Laständerungen reagiert, und zwar mit GBW und Slew Rate und der ganzen kapazitiven Last die einem die Phasenreserve gehörig verhagelt.
Kurzum: Es hat einen Grund weshalb so gut wie alles was die Stromaufnahme einer unbestimmten Schaltung messen soll mit Shunts arbeitet. Photodioden-TIA-Gespanne werden hingegen je nach Anspruch bis ins kleinste Detail optimiert, und auch nur ein zu langes Kabel zu verwenden kann komplette Fehlfunktion bedeuten.
Kurzum: Es hat einen Grund weshalb so gut wie alles was die
Stromaufnahme einer unbestimmten Schaltung messen soll mit Shunts
arbeitet.
Den Grund sehe ich eher darin, dass beim TIA der Messbereich durch den
Ausgangsstrom des Opamp ohne zusätzliche Klimmzüge auf wenige mA
beschränkt ist. Über einen Shunt hingegen kann man auf einfachen Weise
viele Ampere messen, indem man den Wert des Shunt entsprechend klein
wählt.
Bei der Anwendung des TE geht es aber eher um kleine bis sehr kleine
Ströme. Da er wahrscheinlich auch keine hohe Bandbreite braucht, sollte
man die Entscheidung, ob Shunt oder TIA oder etwas anderes, nicht allein
von diesen Kriterien abhängig machen.
Übrigens: Der TIA hat gegenüber dem Spannungsverstärker noch den
Vorteil, dass der Offsetfehler des Opamps kaum ins Gewicht fällt.
Übrigens: Der TIA hat gegenüber dem Spannungsverstärker noch den
Vorteil, dass der Offsetfehler des Opamps kaum ins Gewicht fällt.
Das kommt sehr darauf an, was für einen Widerstand man in der Rückkopplung einfügt, denn es sollen hier ja 6 Dekaden gleichzeitig abgedeckt werden.
Bei 1kOhm hat man bei 0,1µA immerhin noch 0,1mV, braucht aber bei 150mA auch 150V am anderen Ende des Rückkopplungswiderstands, was ziemlich unpraktisch ist. Bei 100Ohm braucht es nurnoch 15V für 150mA, aber mit den 10µV bei 0,1µA wird es dann auch wieder spannend..
Das sind einfach invertierende Verstärker, die am Ausgang die Spannung
-3,3V*R_1/R_DUT erzeugen werden.
Und das ist -R_1*I_DUT. Der Vorteil gegenüber dem einfachen Shunt ist,
dass die Spannung über DUT immer 3,3V ist, unabhängig vom Strom durch
das DUT (in der Theorie zumindest, d.h. solange der OPV regeln kann).
Das ist genau der Punkt: Nur wenn der DUT eine Stromquelle ist.
Also, für mich ist die Sache nun klar! Vielen Dank auch!
Das ist genau der Punkt: Nur wenn der DUT eine Stromquelle ist.
Nö, das ist das gleiche, wenn der DUT eine aktive Schaltung, z.B. ein Prozessor ist. In den TIA wird vorn ein Strom eingespeist, den er in eine Spannung am Ausgang umsetzt. Gleichzeitig hält er die Spannung am Eingang auf 0 (Details siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker).
Das ist genau der Punkt: Nur wenn der DUT eine Stromquelle ist.
Nö, das ist das gleiche, wenn der DUT eine aktive Schaltung, z.B. ein
Prozessor ist. In den TIA wird vorn ein Strom eingespeist, den er in
eine Spannung am Ausgang umsetzt. Gleichzeitig hält er die Spannung am
Eingang auf 0 (Details siehe
https://de.wikipedia.org/wiki/Transimpedanzverst%C3%A4rker).
Bei mir hat's jetzt endlich geschnackelt. Ihr habt beide recht und ich war begriffsstutzig! Die Anwendung habe ich nie gesehen. Super, bin begeistert. Vielen Dank, hab was dazu gelernt!
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