Akım algılama nA - mA


17

Hedef MCU'nun akımını hissetmem gerekiyor açık / uyku / kapalı durumunun çeşitli dönemleri boyunca ve daha sonra değeri okumak için bu verileri başka bir arayüz MCU'ya geri göndermem gerekiyor. Her ikisi de 5 V USB ile çalışan aynı kartta olacak.

Ancak bunlar benim gereksinimlerim:

  1. 5 V USB PSU
  2. Yüksek doğruluk / hassasiyetle nA - mA aralığındaki akımları algılayabilmelidir. (I şekil 1 nA ila 500 mA)
  3. Arabirimi değil, yalnızca hedef MCU'nun akımını ölçün.
  4. Maksimum 3.3 V arayüz MCU çıkışı gerekir

Mevcut seçeneklere baktım ve Texas Instruments'ın mevcut duyu yükselteçleri, daha yüksek önyargı akımları nedeniyle nA'yı algılayamıyor. Bu yüzden hassas bir amplifikatöre ihtiyacım olacağını hissediyorum.

Bununla birlikte, bununla nasıl devam edeceğim konusunda takılıp kaldım, çünkü bir şekilde otomatik dinamik akım aralığına ihtiyacım var ve mevcut algılama için oldukça yeniyim ve tüm özelliklerden gerçekten emin değilim.


10
Aslında 9 büyüklük veya 30 bit (gürültüsüz) çözünürlük hakkında konuşuyorsunuz. Bu son derece önemsiz değil.
corecode

Neden? Manuel olarak ayarlanabilir kazanç ... ldo ve 12V arasındaki üç direnç gibi: 1R, 100R ve 10k.
Gregory Kornblum

Gregory bu düşündüm, uCurrent Gold cihazı ile yapıldığını gördüm. Bu kazancı otomatik olarak ayarlamanın bir yolu var mı?
Andrea Corrado

1
Aralıkları manuel olarak değiştirmeye uygunsanız, çok daha basit hale gelir. Ancak, hedef sisteminiz güç modunu kendi kendine değiştirdiğinde bu başarısız olur. 10k algılama direncinden birkaç mA çekmeye çalışmak, besleme voltajını düşürür ve çipi açar.
corecode

1
Yüksek doğruluk ve hassasiyet tanımınız nedir? Ayrıca, hangi frekanslarda ölçüyorsunuz? Birden fazla entegre ölçüm yapmak için zaman ayırabiliyorsanız, bunu 5 megaz örneğinde veya bunun gibi yüksek bir şeyde gerçek zamanlı olarak yapmanız gerekenden daha fazla seçeneğiniz vardır.
Cort Ammon - Monica'yı yeniden

Yanıtlar:


27

TL; DR

Bir devre, çıkış akımıyla seri halde bir diyot içeren herhangi bir kapasitif yükte stabil olan bir regülatör topolojisine dayanarak sunulur. Bu diyot boyunca geliştirilen voltaj nominal olarak akımın logudur, bu da çok geniş bir akım aralığının tek bir voltaj aralığı ile ölçülmesini sağlar. Simülasyonda mükemmel dinamik kararlılık gösterilmiştir.

Düşük akımda, devre gürültülü ve yavaştır (büyük sürpriz yoktur). Mevcut sonuçlar, 1uA ve üzeri akımlar için 10uS çökelme süreleri için düşük akımlarda yaklaşık +/-% 5 rms gürültüsünü gösterir ve 1nA'ya kadar olan akımlar için 1 saniyelik çökelme süresine yükselir.

/ TL; DR

Yüksek hassasiyete ihtiyacınız olmadığından şüpheleniyorum. Sadece nA ile 500mA arasındaki devasa aralık nedeniyle yaptığınızı sanıyorsunuz. Açıkçası 500mA'da +/- 1nA, kolosal doğruluk gerektirecektir. 500mA'da +/-% 10'un aynı anda birkaç nA'da +/-% 10 ve her ikisini de anahtarlama olmadan kapsayacak şekilde tek bir aralık ile yararlı olacağını düşünüyorum.

Başlangıçta öneri olarak düşürdüğüm ilk düşünce, referans için yazının altında gösterilir.

Ne yazık ki ölümcül bir kusuru var. Akım aniden arttıkça 1nA'yı yeterince iyi gösterebilirken, hem dahili telafisi hem de C1 nedeniyle opamp çıkışı başlangıçta hareket etmez. Sonuç olarak, çıkış gerilimi bir an için 1v'nin üzerine düşer (akımın Q1 ve D1'den akması için gerekli), bu hat tarafından sağlanan MCU'ları ciddi şekilde utandırır.

'Çözüm', analize MCU rayı ayırma kapasitansını dahil etmektir. Bununla birlikte, MCU hattındaki ekstra C, opamp invertör girişi ile şantta olduğu ve istediğimiz geniş bir aralıkta pratik olarak telafi edilemediği için kararsızlığa neden olur.

Yani bir sonraki düşünce 'bu temelde bir lineer olmayan geri besleme direnci olsa da, bir transimpedans amplifikatörüdür, nasıl kararlıdırlar?' Beni Bob Pease'in makalesine götüren hızlı bir arama (Nat Semi'ın RAP, Bob Pease - herhangi bir analog tasarımcı için okumalıdır. Bu cevaptan başka bir şey almazsanız, kazın ve eşyalarını okuyun!)

Op-amp evirici düğümü üzerindeki varsayılan kapasitansın, pF'ye kıyasla büyük olmasına rağmen, bir VCC hattında bulabileceğimiz 10 uF'ye kıyasla çok küçük olduğu ve yüksek hızdaki ince ayarın sürekli bir geri besleme direnci aldığını hemen anladı. bu topoloji bir başlangıç ​​değildi.

O zaman düşündüm, eğer akım değiştiğinde MCU'yu kızartmayacaksak, bir regülatör gibi davranmalıdır. LDO'ların seramik çıkış kapasitör sorunlarına karşı tantal hatırladım. Kararlı olmak için bir tantalın yarım ohm ESR'sine dayanan mimariler seramiklerle sabit değildir. Topoloji, seramiklerin sıfır ESR'sini tolere edecek şekilde değiştirildiğinde, belirtilen minimum değerin üzerinde herhangi bir büyük değeri tolere edebilirler.

Büyük bir çıkış kondansatörü ile başa çıkmak için, kontrol akımının geri kalanını 45 dereceden daha az faz kaymasıyla tutan bir çıkış akımı kaynağı bir entegratöre dönüştüren baskın kutup olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu kapak yapıldıktan sonra, çıkış kapasitörü herhangi bir boyuttan daha büyük olabilir ve LDO yine de kararlı olacaktır. Regülatörün çıkış kondansatörü, bir akım değişim olayı sırasında tüm voltaj gerilimini sağlar.

Şimdi LDO uygulama notlarını aradım. Sonuç olarak bu yeni tasarım. DC konseptindeki orijinaline genel olarak benzer, ancak çıkış kondansatörünün etrafına inşa edilmiştir ve yeterli stabilite elde etmek için seramikler için tasarlanmış LDO'lar tarafından kullanılan hileleri kullanır.

resim açıklamasını buraya girin

analiz

Q2, R2 ile akım çıkışı olacak şekilde yapılandırılmış seri geçişli PNP cihazıdır. Bu tür, LTSpice kütüphanesinde bulunan 1 Amp, 200 hfe 150, 50v, 400MHz ft'lik oldukça pişirme sınıfı bir parçadır. I1, akımı sıfırdan artırmak için aniden gerekli olduğunda gerekli delta V'yi azaltmak ve akım çıkışında ani bir düşüşle başa çıkmak için önemli bir akım lavabo sağlamak için nominal bir 10mA'ya bağlar.

D1, eski dostumuz, çıkış akımının log gerilimini geliştirdiği doğrusal olmayan elementtir. Kütüphanede olduğu gibi 1n4148 kullandım. Akım aralığının alt ucunu (1nA için 10mV) tanımlamak için R1, akım aniden düştüğünde ters voltajları yakalamak için D3 ve kararlılığı ve çıkış aşımını arttırdığı için C2 ile birleştirilir. 1N4148'in daha iyi 1n400x tipleriyle değiştirilmesi durumunda, daha yüksek kapasitanslarının C2 tarafından tamamen emileceğini, bu nedenle stabilite için yeterince modellenmiş olduklarını unutmayın.

Ben071 TL model olurdu. İlk önce GBW 1.5MHz olan ancak makul bir istikrar elde etmek için mücadele eden bir LTC1150'yi denedim. Daha sonra gösterilen LT1022'ye geçtim. Bu, 8MHz GBW'da biraz daha hızlı, ancak etrafında çok daha hızlı parçalar var.

Çevresindeki ağ, LDO uygulama notlarında önerildiği gibi 0v'yi algılamak için R3, kararlılık için C3 ve C3'e sıfır eklemek için R4 içerir. Hope'n'poke tarafından ulaşılan bu değerlerle, zaten kötü değil. Eminim biraz doğru analizle daha iyi olabilir. Daha hızlı bir birlik kazancı istikrarlı amplifikatör kullanmak yerine, dekompanse edilmiş bir amplifikatör kullanmak daha iyi olmalıdır.

Kesinlikle amaç için yeterince kararlı görünüyor. Bu devreyi öfkeyle kullanmak için inşa eden herkes, stabiliteyi azaltan daha fazla değiştirilmemiş parazit bulabilir, ancak kendilerine daha fazla dirsek odası vermek için daha hızlı bir amplifikatörle başlamasını öneririm.

I2, demo için zamana bağlı akım yüklemesini sağlar. Parametre dizesinden görebileceğiniz gibi, 100nS risetime (böylece 10MHz'lik bir döngüde akımı değiştirerek) ve tekrar geri 100pA ila 100mA arasında döner. Diyot D2, simülasyonun log akımını göstermesi için uygun bir yol sağlar ve hedef devrenin bir parçası değildir.

Simülasyonları yaparken, tüm 'eylemin' 0v civarında olmasını tercih ederim, bu yüzden burada gösterilen -5, 0v ve + 5v rayları için OP uygulaması için sırasıyla 0v, + 5v ve + 10v'yi okuyun.

Bu genel geçici grafiktir

resim açıklamasını buraya girin

Çıkış voltajının başlangıç ​​DC değeri 100pA için 0.5mV'dir ve 1nA'dan gittiğimde, yaklaşık 5mV'dir, bu nedenle 1nA seviyesinde ve altında anlamlı bir ayrımımız var.

Akım arttığında ölçüm değerinin hafifçe aşılması vardır.

Akım azaldığında, dönüş diyot sınırlarına çarpar. Ayrıca 100mA'dan 100pA'ya geçerken 20mS okuma kuyruğu var, bunu nasıl geliştireceğimi bilmiyorum, belki birinin bir önerisi var. Kuyruk 10nA'ya geçerken hala mevcuttur, ancak 100nA ya da daha fazlasına geçerken kuyruk yoktur. Bu uygulama için, bunun iyi olduğunu hayal ediyorum.

Sonraki üç grafikte, tüm önemli çıkış rayı voltaj kararlılığına bakıyoruz.

100pA'dan 100mA'ya yükselişte

resim açıklamasını buraya girin

Geçici demiryolu geçişi sadece 12mV ve ölü vuruştur. Bu kadar şiddetli bir güncel değişiklik için bu tür bir performans sağlayan pek çok ticari LDO bulamazsınız.

ve tekrar 100 pA'ya geri dönerken

resim açıklamasını buraya girin

Ters iletim sağlamak için D3 olmadan, Vmeas -0.6v yerine bir süreliğine -ve rayına sallanırdı.

resim açıklamasını buraya girin

Aşağı inen geçici ray da 12mV ile sınırlıdır. I1 akım lavabosunun sonucu olan hız sınırlı aşağı doğru dönüşü görebilirsiniz.

Bunun bir ilke kanıtı olduğunu söylemeyeceğim, ama bunun çok iyi bir güvenilirlik kanıtı olduğunu düşünüyorum. Simülasyon çok sayıda parazit içerir, opamp'ın telafisi Q2 Miller C ve bir LDO'ya rakip performans ile, farklı akımlarda bir MCU'ya güç verebilecek bir şey geliştirmeye başlamak için oldukça iyi bir temel olduğunu düşünüyorum. Aralık.

Bu çıktı olarak Vmeas'ı gösterir. Orijinal direkte belirtildiği gibi, aynı sıcaklıkta başka bir diyotla ölçülürse termal doğruluk artırılacaktır. Vmeas düşük empedanslı bir çıkıştır, bu nedenle basit bir diferansiyel amplifikatör ile yapmak çok kolaydır.

Daha önce olduğu gibi, R1'in daha düşük bir değer direnci ile değiştirilmesi, D1'in iletmediği voltajlar için daha doğru, doğrusal bir aralık çıkışı verecektir.

Gürültü sorunları

Artık kararlı bir devre geliştirildiğine göre, gürültüye bakmaya başlayabiliriz. Aşağıdaki grafik op-amp girişinden elde edilen kazancı C2'de bir 1nF kapasitör ile göstermektedir. Eğriler 100pA ila 100mA arasındadır. 100pA ve 1nA eğrileri parlak mavi renkte ayırt edilemez ve kırmızı 10nA eğrisine çok yakındır. 1uA pembe, 1mA koyu mavi, 100mA eğrisi mor kadar düşüktür.

resim açıklamasını buraya girin

CTS için 33nF kapasitör kullanarak 10mHz ila 10MHz bant genişliği üzerinden çıkış gürültüsünü entegre etmek için LTSpice'in .noise simülasyonunu kullanarak ve .measure kullanarak, akımlar arttıkça gürültü azalan sabit bir 2mV rms gürültüsüyle sonuçlandı. 100mA'da 100uV rms'ye kadar.

Artan C3 değerinin cezası, akımdaki bir adım azaltmanın ardından çökelme süresi arttı. Nihai değerin 1mV'sine kadar geçen süre yaklaşık 10mS ila 1uA, 60mS ila 100nA, 500mS ila 10nA ve 900mS ila 1nA idi.

Mevcut op amp, LT1022, 1 kHz'de birkaç 10 n nV iddia etmektedir. Bob Pease'in daha önce değinilen transimpedans amplifikatör makalesi, 3nV'nin kompozit bir amplifikatörün ön ucu olarak ayrı düşük gürültülü FET'ler kullanarak düşük akım FET girişi ile uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Böyle geliştirilmiş bir opamp kullanmak, gürültü seviyelerini büyüklükte azaltmalıdır.

Bu referans için orijinal öneri.

şematik

bu devreyi simüle et - CircuitLab kullanılarak oluşturulan şematik

Opamp, çıkış voltajını 5v'de tutmak için Q1 ve D1 üzerinden akımı servo edecektir, böylece MCU'nuz her zaman doğru çalışma voltajını görmektedir.

İki diyot arasında ölçtüğünüz voltaj, D1 akımının D2 akımına oranının günlüğü ile orantılıdır. Sadece D1 üzerindeki voltajla çalışabilmenize rağmen, sıcaklığa bağlıdır. Bu yöntem, bu bağımlılığı telafi etmek için D2 kullanır.


Metrekare (Hz) başına 1 nV mükemmel gürültü voltaj yoğunluğu ve 10 kHz bant genişliği (MCU tarafından alınan akım darbelerinin ölçülmesi için) ile bir op-amp alın. Çıkıştaki gürültü voltajı 30 tek nV RMS olacaktır ve bu 100 Hz'nin üzerindedir (tipik olarak). 1 Hz'de gürültü mikrovoltları olacak, bu nedenle bu devrenin saygın bir doğruluk derecesi ile 1nA'ya kadar çalıştığını nasıl söyleyebilirsiniz? O zaman OP-AMP'nin gürültü kazancına bakmalısınız. NG, yükün doğası göz önüne alındığında önemli olacaktır (düşük empedans). BTW'yi düşürmedim.
Andy aka

1
@Andyaka burada yapmaya çalıştığın noktadan emin değilim Andy. Günlük okuma. Diyelim ki endişelentiğiniz mikrovoltlardan ziyade 1mV gürültü, cömert bir tahmin var. Az önce bir 1N4007 ölçtüm ve her on yılda yaklaşık 100mV akım (1uA'da 317mV, 1mA'da 599mV, 1A'da 909mV), bu nedenle 1mV gürültü bir centi-on yıl veya yaklaşık% + / - 2.3 % 10 doğruluk için WAG'ım. Daha da önemlisi, 1uA'da 300mV, sıfır önyargı için 100nA / 200mV, 10nA / 100mV ve 1nA'ya kadar projelerdir, bu nedenle bir şey yeterince düşük akımda bir yer verecektir. Katkınız için teşekkürler.
Neil_UK

1
Cevabı, düşük voltaj / düşük akım rejimini içerecek şekilde düzenledi.
Neil_UK

Bu temiz bir devre. Köprüden gelen kaçak akım her şeyi etkiler mi?
TLW

En son IN4007 ölçümüm, sıfır volt civarında 1nA kaçak olduğunu önerdi, tipik 1A köprülerinin benzer silikon kullanacağını tahmin ediyorum.
Neil_UK

3

Yüksek doğruluk / hassasiyetle nA - mA aralığındaki akımları algılayabilmelidir. (I şekil 1 nA ila 500 mA)

Ve....

Hedef MCU'nun akımını açık / uyku / kapalı durumunun çeşitli dönemlerinde algılamam gerekiyor

Güç beslemesine küçük bir değer direnci koyacağınızı varsayarsak, bu direnç 500 mA'da 0,1 volttan daha fazla "düşmemesi" gerekir. Önemli bir voltaj düşürdüyse, ölçümü tehlikeye atıyorsunuz ve muhtemelen hedef cihazın çok düşük voltajda çalışmasına neden oluyorsunuz.

Bu nedenle, 500 mA ve 0.1 volt, 0.2 ohm değerinde bir direnç gerektirir. Şimdi, bu direnç 1 nA beslendiğinde 0.2 nV'luk bir ölçüm gerilimi üretecektir.

İlk sorunu görüyor musunuz? Bunu yapabilen gerçekten ucuz ve güvenilir bir teknoloji yoktur, çünkü herhangi bir op-amp, ölçmeye çalıştığınızdan önemli ölçüde daha büyük gürültüye sahip olacaktır ve dinamik ölçümler yapmak istediğiniz görülüyorsa, gerekli bant genişliğiniz onlarca olabilir ve sadece gürültüyü ölçeceksiniz!

EDIT - günlük değeri

  1. 10 kHz gürültü bant genişliği varsayarsak (hedefin akımındaki değişiklikleri yeterince ölçmek için yaklaşık 7 kHz sinyal bant genişliği), 1 nV / sqrt (Hz) voltaj gürültülü bir op-amp'in, 100 nV RMS'ye eşdeğer olduğu anlamına gelir. evirmeyen girdi. Bu düşük gürültü değerine sahip bir op-amp gerçekten nadir bir canavardır ve bu tasarımı etkileyecek bir dizi başka sorunla birlikte gelir.
  2. Geri besleme döngüsünde bir diyot kullanmak çekici görünüyor, ancak yükte yaklaşık 100 nA dağıtıldığında, üzerinde 300 mV olabilir. Bir empedans olarak, op-amp devresinin gürültü kazancını ayarlar. 300 mV / 100 nA, 3 Mohm'luk dinamik bir dirençtir ve bu direnç değeri sadece besleme akımı 100 nA'nın altına düştüğünde artar, yani daha düşük akımlarda işler daha da kötüleşir.
  3. Bu direnç (geri besleme devresindeki diyotun dinamik direnci), yükün dinamik empedansı ile birlikte, op-amp devresinde gürültü kazancı üretir, böylece yükün dinamik empedansı 1 ohm ise, gürültü kazancı 3.000.000 (op-amp'in bu açık döngüyü sağlayabileceğini varsayarsak).
  4. Op-amp giriş gürültüsü (yukarıda belirtildiği gibi) 100nV RMS veya (6 sigma kullanılarak), 600 nV pp'dir. 0.9 volt.
  5. Bu, log-amp'in çıkışında görülebilen "potansiyel" gürültü voltajıdır. Bununla birlikte, voltaj gürültüsü 300 mV'nin üzerine çıkarsa, diyotun dinamik empedansı 3 Mohm'dan düşer ve kazanç azalır ve tüm bunların sonucu, pik gürültü voltajının muhtemelen maksimum 400 mV'de bir seviye bulacağıdır. Ancak, bu noktaya kadar (0 nA ila 100 nA) tüm bahisler iyi bir ölçüm almaya çalışıyor.

Yükün dinamik empedansı 10 ohm (1 ohm yerine) ise, bu farklı bir öyküdür, ancak güç raylarında 100 nF kapak olasılığı ve daha yüksek değerlerin olası varlığı göz önüne alındığında bu mümkün olacaktır.

Gerçekten düşük giriş gürültü akımlarına sahip düşük voltajlı kaynak gürültülü bir op-amp bulmak ne kadar zor olacak? Ayrıca, çoğu op-amper için, frekans 100 Hz'in altına düştüğünde gürültü voltajının önemli ölçüde arttığını unutmayın, bu yüzden bu gerçek bir sorundur.

Bu nedenle, bir günlük amplifikatörünün çalışması için, bant genişliği önemli ölçüde sınırlandırılmalıdır, ancak bu, OP'ye hedef MCU farklı rutinleri yürüttüğünde (mevcut) dinamik akım değişikliklerini yeterince ölçme şansı veriyor mu?


1
OP Okuma, o düşünmek gelmez 'otomatik yayılma' ve suchlike gibi yorumlarla, sorun bakın. Retorik sorunuzun, özellikle ona bir çözüm yoluna gitmediğiniz için, biraz daha patron olduğunu düşünmüyor musunuz?
Neil_UK

@Neil_UK Bant genişliğinin çok sınırlı olması hakkında daha fazla ayrıntı verilmediği sürece bir çözüm görmüyorum (sizin değil). Patron olarak gelirsem, bu özel durumda, beni yanlış anlarsın.
Andy aka

Neil'in fikrini mükemmel olarak görüyorum. OP, MCU'nun güç durumunun izlenmesi ile suçlandı, ancak gereksinimler, görevin saçma aralığa yol açan özelliklerine uygun değildi. Pratikte, yalnızca MCU aktif moddayken ve mAmps tüketirken hızlı tepki süresine ihtiyacınız vardır. Uyuduğunda, kimse nA aralığında ne kadar hızlı geçiş yaptığını umursamaz ve bu nedenle bant genişliği sıfıra düşürülebilir. MCU'nun düşük güç durumuna girip girmediği ve MCU'nun güç hedeflerine ulaşmasına izin vermeyen tasarım / yazılım hataları olup olmadığı bu modda insanların umurunda.
Ale..chenski

@AliChen OP adına konuşmazsanız, denememenizi ve 2. durumu tahmin etmenizi öneririm.
Andy aka

@Andy: Ben sadece deneyimle konuşuyorum. Yukarıdaki yorumumu OP'ye bir soru olarak düşünün ve önerinizi atmama izin verin.
Ale..chenski

0

Kazancın hızlı bir şekilde değiştirilmesine ihtiyaç duymadığınız sürece. Aralıkların üst ve alt uçlarına ulaştıkça geri bildirim direncini değiştirmek için röleler kullanılan bir TIA opamp devresi yapabilirsiniz. ~ 10-30 mA'nın üzerine çıkmak tipik opamp için zordur, bu nedenle yüksek menzilin biraz daha düşünülmesi gerekir. Bipolar akımları hissetmeniz mi gerekiyor?


0

Önemli hassasiyet kaybı olmadan böyle geniş bir aralıkta akımın ölçülmesi, ayarlanabilir dirençli bir akım algılama devresi gerektirir. Genellikle, FET'lerle eşleştirilmiş farklı değerlere sahip bir dizi direnç veya sadece seri bağlı FET transistörleri. Bu devre bir geri besleme döngüsü tarafından tahrik edilir: ölçülen akım değiştiğinde, her iki direnç değeri de ayarlanan FET geçit voltajına geçirilir. Agilent, ikinci yöntemi bazı güç kaynaklarında uygular.

Sitemizi kullandığınızda şunları okuyup anladığınızı kabul etmiş olursunuz: Çerez Politikası ve Gizlilik Politikası.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.