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[参考译文] INA111:使用仪表/运算放大器进行皮安级电流测量

Guru**** 1079370 points
Other Parts Discussed in Thread: INA331, INA818, INA121, INA332, INA111, LMP7721, TINA-TI
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1034863/ina111-picoamp-current-measurement-using-instrumentation-operational-amplifier

器件型号:INA111
主题中讨论的其他器件:INA331INA818INA121INA332LMP7721TINA-TI

大家好、

我正在开发一个电路来测量器件电流、也就是皮安级的最小器件电流。 分流电阻器固定为50欧姆,我在更改分流电阻器时没有任何灵活性。 测量来自低侧、使我的共模电压几乎为零。  以下是我的要求

  1. 低侧电流感应
  2. VCM=0V
  3. PA 电流测量
  4. 单向电流测量
  5. 模拟电压输出

带宽和压摆率不是限制因素、因为我只对稳态结果感兴趣。

仪表放大器应具有10fA 的偏置电流、以可靠地测量1pA 电流、精度为99%。 在搜索符合上述要求的可用仪表放大器列表时、我发现仅提供20pA 的偏置电流、将最小测量限制为2nA。 以下是我的列表中的前3项

INA111、INA121、INA818 (支持高达36V 的电压)。 INA331/321和 INA332也很好、是单轨电源设计。 因此、我有以下问题

  1. 符合上述要求的所有仪表放大器选择是什么?
  2. 仪表放大器提供寄生电阻抑制、但运算放大器不显示这种抑制、但特定运算放大器具有较低的输入偏置电流。 那么、我应该更喜欢运算放大器而不是 INS-AMPS、还是应该坚持使用 INS-AMPS?
  3. 我还应该纳入其他建设性的建议或意见吗?

谢谢

SK

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    SK、

    首先、您不能使用50ohm 分流电阻器直接测量1pA 电流、因为这需要您能够测量50pV 电压(50*1e-12)-考虑到任何 IC 在合理带宽内的集成噪声 都要高得多、这是不可能的。  此外、要使用仪表放大器(INA)测量1pA 电流、您必须使用输入偏置电流为10fA 或更低的 INA、我们没有这种情况。  但是、我们有 LMP7721等运算放大器、其典型 IB 为+/-3fA、最大值为+/-20fA、可用于跨阻配置、如下所示。

    使用20Mohm 的射频、第一级将1pA 电流转换为20uV 的 VF1、然后通过第二级的 G=101增益将其增益放大为20mV。  假设所需的 IG1电流范围为1nA、这将导致 IG1=1nA 时的输出为-2V -请参阅下文。  CF 和 C1用于在信号馈入第二级之前滤除电阻器热噪声。 如果需要、可以重新配置电路、为您提供一个正极电压。 为了方便起见、我在这里使用了+/-2.5V 电源。

    请找到您自己仿真的 TINA-TI 原理图。

    e2e.ti.com/.../SK-Low_2D00_Side-current-measurement-_2D00_-LMP7721.TSC

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    您好、SK、

    我完全同意 Marek。 如果我正确理解他、您可以打开50R 分流器的接地连接、并将50R 分流器的接地侧连接到其 TIA 的输入、如下所示:

    e2e.ti.com/.../marek_5F00_lmp7721.TSC

    此外、通过使用良好的旧斩波方法(定期打开和关闭您的分贝、并通过这种开启和关闭要测量的器件电流)、您可以轻松校正第二个运算放大器输出端的任何失调电压误差、甚至失调电压漂移误差。 您测量的信号是输出电压的 Vpp 值、或者换句话说、在上面的示例中、27.88mV - 25.81mV = 2.07mV。

    Kai

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    @Marek Lis 感谢您的解决方案。 我一定会仔细研究解决方案、并很快更新。

    @Kai 考虑的配置与您提到的备份选项相同。 将密切模拟和研究这2个电路、对它们进行分析、并更新同一个线程中的观察结果。 谢谢 Kai

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    你(们)好 我 μA 了最重要的设计要求、即要在1pA 至60 μ A 范围内测量的电流。 我在设计要求说明中仅提到了设置的最小限制、因为我使用最小电流值在放大器上进行归零(因为对于许多放大器而言、最小电流和输入偏置几乎相同)、并且忘记了最大限制。

    在研究提供的电路时、第1级被设计为一个跨阻放大器、我将 作为设计/理解的参考指南。 之后、第二级是放大器。

    因此、如果测量电流范围变化如此之大、我是否仍可以使用相同的配置?  或者、我应该为每个范围选择一个单独的相似电路、例如1pA 至100nA 和101nA 至60 μA? 我现在正在仔细研究、电路将很快更新我关于设计适用性的推论。

    谢谢、

    SK

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    SK、

    为了最大程度地提高 IG1输入范围1pA 至60pA 的输出电压、您需要将第一级的增益增加10倍、将第二级的增益增加2倍 -请参阅下文。