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OPA827: 我可以用这个器件做TIA，转换电路板的电流为电压，然后用ADS8688采集吗（单通道500KSPS）？

QIANGXIANG ZHU
Prodigy 10 points
Part Number: OPA827
Other Parts Discussed in Thread: ADS8688, ADS1220, INA849, TMP119, OPA858

我在尝试制作一个低功耗分析仪，分析低功耗器件在待机状态下的用电行为。希望在10UA量程下能有至少5NA分辨率，并且需要500KSPS的采样率,ADC用的ADS8688。

传统的电阻感测方式会有动态压降，所以没有采用。

我最终想用TIA来做电流检测。但是TIA似乎都被用在光电二极管的电流检测上，它的电容可以认为是固定的，而我的被测量电路的电容是不固定的。比如一个被测量电路板上的MCU它会有很多滤波电容，传感器也是如此。当我换一块被测量电路板之后电容配置也会改变。这导致CF的取值很难。（理想的情况下输入电容可能是1UF-100UF的范围，更大范围不考虑。）

我在这之前只试过用ADS1220加检流电阻采样的方式（忽略它的2KSPS最大采样率），最终效果不满意。然后我瞬态仿真了TIA的输出直流电压，似乎它在输入电容很大的时候，即使使用一样大的CF，依然需要几十毫秒才能稳定，似乎它是不太可能工作在500KSPS下的。

我没有用过TIA放大器，请问有什么可以参考的电路吗？或者至少告诉我哪些器件可以满足我的要求，我会尝试去完善仿真模型。以及如果我的这个想法本来就不现实请麻烦告诉我。

  • 0
    TI__Mastermind 25585 points

    已经收到了您的案例，调查需要些时间，感谢您的耐心等待。

  • 0
    TI__Mastermind 37625 points

    您好

    QIANGXIANG ZHU 说：
    我最终想用TIA来做电流检测。但是TIA似乎都被用在光电二极管的电流检测上，它的电容可以认为是固定的，而我的被测量电路的电容是不固定的。比如一个被测量电路板上的MCU它会有很多滤波电容，传感器也是如此。当我换一块被测量电路板之后电容配置也会改变。这导致CF的取值很难。（理想的情况下输入电容可能是1UF-100UF的范围，更大范围不考虑。）

    您想设计一个低功耗分析仪作为应用、电流为5nA 到10uA -->这是直流还是交流应用？ 交流信号的频率是多少。 输入电压范围是多少？ 我需要这些信息。 让我们首先解析模拟输入前端。 在采样方面、您可以根据应用的需要对电压和电流测量值进行过采样-->我想您要从系统中计算电压和电流信息的即时功率。 要计算系统的低功耗、您需要测量电压(直流或交流)和电流(直流或交流)。 电压测量会更简单-通过运算放大器缓冲器对电压进行采样。 电流测量是个问题。

    QIANGXIANG ZHU 说：
    我在这之前只试过用ADS1220加检流电阻采样的方式（忽略它的2KSPS最大采样率），最终效果不满意。然后我瞬态仿真了TIA的输出直流电压，似乎它在输入电容很大的时候，即使使用一样大的CF，依然需要几十毫秒才能稳定，似乎它是不太可能工作在500KSPS下的。

    如果你使用分流电阻器来测量电流，那么你需要可切换的传感电阻器（例如100 kΩ, 1 MΩ, 10 MΩ, 100 MΩ, 1 GΩ）为5nA至10uA，具体取决于应用电压。

    如果你已经能够获得电流信息（比如说这是来自电流源），那么最好的方法是使用TIA将其转换为电压并计算功率。（但TIA不喜欢有大的输入和未知的输入电容，这将限制TIA的BW）。

    对于5nA至10uA的电流源，您可以使用电流源为精密电容器充电，并使用i=CdV/dt方法测量电压斜率。这种方法通常用于皮安计和静电计。

    QIANGXIANG ZHU 说：
    传统的电阻感测方式会有动态压降，所以没有采用。

    动态电压变化或Δ可以通过仪表放大器精确测量。如果这是高频应用，我可以看到问题，其中典型的分流电阻器没有几个nH电感，并且是高频下的测量误差。

    或者，您可以使用仪表放大器（IA）来测量未知组件的耗散功率。您可以将已知的电阻器R1与未知组件并联，测量差分输入信号并通过IA将其转换为电压。您将重复另一个已知的R2并测量相同的值。使用比率技术提取未知组件的电流消耗并计算功耗。例如，INA849或类似的IA可能能够实现这种测量。使用该技术，您确实需要知道I_measured current是多少（我需要了解更多）。

    不管怎样，请告诉我确切的应用和电压范围，也许我们能够找到一种准确测量功率的方法。

    QIANGXIANG ZHU 说：
    我没有用过TIA放大器，请问有什么可以参考的电路吗？

    Here are some references for TIA applications. 

    https://www.ti.com/lit/an/sboa268b/sboa268b.pdf?ts=1748835560710&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    https://www.tij.co.jp/jp/lit/an/snoa942a/snoa942a.pdf

    https://www.ti.com/lit/ta/sszt127/sszt127.pdf?ts=1748843949391

    https://www.ti.com/lit/an/sboa521/sboa521.pdf?ts=1748875151058&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    https://www.ti.com/video/5751314142001

    https://www.ti.com/lit/ug/slau502/slau502.pdf?ts=1748875231801&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

  • 0 回复 Daniel
    Prodigy 10 points

    非常感谢你的回复。

    我要测量的目标是这样的，一个M0内核的单片机  +  一个TMP119温度传感器  +  一个BQ76907BMS  +  一个当作开关的加速度计组成的一块电路板（还有类似电路结构的东西），它会有100UF以下的不固定数值滤波电容。受限于体积我只能配置40mah的电池。测量设备给被测量目标输出的电压定为1.8V\2.5V\3V\3.3V这样的固定档，暂时不考虑LDO所需的供电电压范围。我实际要测量的最大电流是20ua，至少20na相对精度。因为要考虑电流快速波动事件的捕获，所以理想的情况是100KHZ以上的带宽。

    目前被测目标在进入待机状态后会有10UA左右的电流消耗。这意味着每多用1UA就会减少十分之一的待机时间。而从各个数据手册里的参数来看，只需要改变一点点软件的配置就可能多用1UA。所以我需要知道在什么样的软件配置、什么样的供电电压下电路板的功耗和性能会达到平衡。如果TIA可用，那么我可以认为供电电压是近似恒定的，这样计算起来会很方便，且被测目标的电压未受负载影响更能准确的得知它的真实功耗水平。

    比率测量和电容积分由于速度是瓶颈，其中电容积分的方式似乎可以多通道实现较高速率，但是FPGA对于我来说过于困难，所以不考虑这两种方案。

    我已经通过TIA的一些说明文档简单的仿真计算过了，即使使用3-8GHZ的OPA858之类的高GBW器件，要用TIA加ADC在100KSPS以上采样率工作，100UF输入电容条件下分辨10NA几乎不可能实现，要求再降低一些也没用。过低的速率和过低的分辨率实用性已经不如直接电阻感测了。所以这或许只是一个滑稽的想法。