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[参考译文] LMP7721：如何构建具有 FC 分辨率和低带宽的电荷放大器？

admin
Guru**** 1097660 points
Other Parts Discussed in Thread: LMP7721, TINA-TI, OPA210, OPA928, OPA928EVM
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/1172475/lmp7721-how-to-build-a-charge-amplifier-with-fc-resolution-and-low-bandwidth

器件型号：LMP7721
主题中讨论的其他器件： TINA-TI、 OPA210、 OPA928

您好！  

我不是一名电气工程师、而是一名化学工程师。 因此，我的问题可能是愚蠢/基本的。

我想构建一个能够测量由单个粒子通过法拉第笼引起的 FC 电荷的电路。 颗粒将停留在法拉第笼中约0.1至1秒。

在互联网上、我发现我应该使用运算放大器的跨阻配置、使用法拉第笼(接地薄铝箔)、并且我应该将电容器靠近运算放大器的电源引脚放置。

我的想法是使用一个 LMP7721作为反相 电荷放大器、第二个用作反相电压放大器。 第三个放大器是第一个放大器输出的电压跟随器、因此我可以在第二个放大器上获得更大的增益、电压跟随器的输出从信号中滤波、并且仅传递偏移电压(由偏置电流引起？)。 这在 TINA-TI 中有效、但在实际中不起作用。 输出不会降低。 您能不能指导我怎么做、或者我是否应该使用完全不同的电路来实现我想要的结果？

下面是我的 TINA-TI 模型。 VG1和 C1应模拟电荷粒子通过法拉第笼引起的感应。 接下来、我附加了一个瞬态仿真、其理念是让电路稳定下来。 稳定后、我可以注入100fC 的电荷(增加 VG1电压)、这将转换为输出上的100mV 响应、我可以测量该响应。 最后一幅图像是一个增益、该增益对于我的频率是恒定的。

当我移除电压跟随器并将 U2的同相输入接地并降低 U2上的增益时、我能够使该电路以10pc 的分辨率工作。 但我需要这2个数量级才能实现所需的精度。

 由于我知道在法拉第笼的入口和出口过程中粒子上的电荷量很重要、第一个放大级的问题是我需要使用大电容器(C2)来保持稳定性、从而降低增益。 是否可以在出入期间以某种方式对收费进行采样？ 这会将带宽移动到更高的频率、从而使 C2的值减小、从而使增益增加到我需要的几个幅度。

 

如果我知道该如何操作、我会上传 TINA 文件。

 

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    TI__Guru**** 1097660 points
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     这里是 TINA-TI 原理图、我忘记上传了

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    TI__Guru**** 1097660 points
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    您好、Simon、

    解决 femto 库仑电荷 肯定不是一个基本问题。

    您尝试实现的互阻抗(TIA)配置不测量电荷、而是测量流经10GΩ Ω 反馈电阻器的瞬时电流。  在47nF 电容器并联的情况下、您的带宽类似于300µHz μ V、这意味着您只能测量电路中的直流电流、例如放大器的输入偏置电流(IB)以及流入电路板上测量节点的任何寄生"泄漏"电流。  

    电容器上累积的电荷 Q 由 Q = C*V 定义，其中 C 是电容，V 是电容器两端的电压。 如果您希望在100fC 的给定电荷下测量100mV、或者换句话说、增益为1V/pico-Coulomb、这将需要在积分器配置中使用1pF 反馈电容器(CF)。 积分 器与电阻 TIA 相似、不同之处在于输入电流会随着时间的推移对反馈电容器充电、从而产生表示总电荷累积的斜升输出电压。

     电容器充电的公式为 i = C*dV/dt。 因此、如果您希望在1s 的测量周期内1pF 电容器上累积100mV 电压、则输入电流将在100fA 的范围内。 LMP7721是一个不错的选择 、因为其输入偏置电流(Ib)在室温下通常为3fA。 IB 和泄漏电流在系统中作为直流误差出现、应根据最终结果测量和校准这些误差。

    下面的电路 在积分器级中使用 LMP7721、然后在增益级中使用。 请注意、增益级中的 OPA210可使用比 前端级更宽的电源、从而在输出端实现更高的测量分辨率。 在此配置中、随着时间的推移、电容器上的电荷会继续累积、因为 IB 最终会使输出饱和、除非电容器放电。 必须在反馈路径中放置一个专门的低泄漏开关 、该开关会在测量之前闭合放电 CF 并断开。

    下面的电路在"泄漏积分器"级中使用 LMP7721、也称为电荷放大器。 第二级是使用 OPA210的增益级、与上述电路中的增益级相同。 10TΩ Ω 反馈电阻器(RF)可使输出稳定至由 IB 定义的直流值以及流经 RF 的泄漏电流。 在仿真中、LMP7721的 IB 为3fA、LMP7721的输出稳定至~30mV。 稳定时间由 RF 和 CF 的 RC 时间常数定义。 之所以为 RF 选择10TΩ μ s、是因为它使 RC 时间常数远大于测量周期1s。 如果时间常数不大于测量周期、则 CF 将在总电荷累积之前放电、测量将受到影响。

    在现实世界中处理 femto 放大器电平电流时、没有什么比仿真简单。 PCB 布局和清洁度非常重要 、因为通过 PCB 材料和表面残留物的寄生电流路径可能为数百皮安、从而使测量结果完全降低。 由高电阻值和寄生电容引起的较大 RC 时间常数可能导致数小时甚至数天的放电时间。 LMP7721EVM 用户指南提供了有关 PCB 布局和组装后电路板清洁的有用信息。 我建议从以下位置开始： LMP7721EVM 用户指南。

    我们还推出了一款新的 femto-amp 输入偏置电流器件 OPA928、该器件将很快推出、其性能高于 LMP7721。 OPA928支持高达+/-18V 的电源、并具有可扩展的内部保护缓冲器、以防止 PCB 上的电流泄漏。 《OPA928EVM 用户指南》将详细介绍 对集成电容器进行放电所需的低泄漏开关。

    此致、

    扎赫

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    TI__Guru**** 1097660 points
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    您好、Simon、

    您能详细介绍一下您的设置吗？

    我们谈论的是什么粒子以及什么电荷？ 电荷是在空气中还是在真空中移动？ 为什么它移动得如此缓慢？ 电荷来自哪里？ 通常情况下、周围环境会立即捕获缓慢的电荷。 如何防止这种情况？

    您知道 Milliki 实验吗？

    Kai

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    TI__Guru**** 1097660 points
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    谢谢、Zach。 你给了我很大的帮助。 使用 OPA210和您发送的用户指南可以解决我的大多数问题。 如果这不起作用、我可以等待 OPA928。  

    但是、我有两个问题。

    1) 1)您提到、" IB 和泄漏电流在您的系统中作为直流误差出现、应根据最终结果测量和校准这些误差。" 我如何在漏积分器级实现这一点？ 我想使用这种配置、因为它最能捕获我的实验的性质。  使用第二幅图。  我是否可以偏移 U2的同相输入、以便在不提供信号时反相和同相输入之间的电压差为零？ 我是否可以将分压器与电位计一起使用、以微调来自2.5V 电压基准等的30mV 偏移(~93k 和~1.1k)？

    2) 2)我是否需要对放大器的输入、尤其是第二个输入实施过压保护？ 第二个放大器的输入可能是+-25V 电压、由 LMP 7721电源电压提供。 在第4页的数据表(OPA210的)中、差分电压信号输入引脚的额定电压为1V (参见下图)。 我不确定这是指电源电压(即 V-=GND)的差分连接，还是输入引脚之间的电压(|-in|-|+in||)？

    如果是后一种情况、您能向我建议一份用户指南、手册等。 哪一个解决了这个问题？

    再次感谢你

    Simon

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    您好 Kai、

    我的设置旨在测量 粉末颗粒碰撞(三电效应)期间的转移电荷。 因此、我的粒子非常大、从20um 到1mm 不等、并承载少量电荷、这使得电荷质量比很小。 这限制了不可预测的轨迹、因为杂散电场不会对其产生显著影响。 但是、这也限制 了 Millikan 方法的可用性、因为我需要在最大电场值限制在3mV/m 左右的大气条件下工作 但是、根据我的封装后端计算。 如果上升速度是无限的、即 FG=Fe。 当 粒子的电荷为100fC、粒子密度为2 100kg/m3时、我可以使用此方法来测量高达150um 的粒子(它不涵盖整个实验范围)。 它以线性方式依赖于粒子尺寸的电荷和第三个功率。

    我在目标上射粒子、此时会发生三电效应(一些电荷被传输)。 该目标封闭在法拉第笼中、我使用该笼来测量粉末颗粒在撞击目标(电流的初始上升)之前以及离开法拉第笼时(反向电流)的电荷。 由于系统处于积分器设置中、因此我可以评估粒子的初始电荷(初始步骤)和传输的电荷(基线漂移)。 因为我正在射粒，所以目标相当大(所以我可以击中它)，因此必须是法拉第笼。  我在大气条件下工作；因此、粒子的趋稳速度相对较小。 这两个因素 会对积分器的 RC 时间常数提出要求、该时间常数必须非常大。

    Simon

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    TI__Guru**** 1097660 points
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    您好、Simon、

    扎赫已经离开了、所以我本周要为他介绍一下。  针对您的上述问题：

    1)是的、您当然可以使用您提到的电位器型解决方案在单个温度下校准系统中的任何误差、如下所示：

    我在上面显示了3个电阻器、两个固定电阻器和一个电位器。  电位计将微调失调电压-如果您仅使用1个电阻器和1个电位计、则可能没有足够的分辨率来拨入失调电压。 理想情况下、这些电阻器的值较低、我建议在1kOhm 范围内、原因是电阻器的噪声将直接影响测量。  因此、您还需要接地电容来帮助过滤噪声效应。  此外、您可以在单个温度下进行校准、但这不包括与温度变化相关的任何变化。  此外、具体取决于  

    2) 2)您不需要任何额外的电阻；上述限制专门指输入端子、标称电压应为相同的电压。  输入可能会出现相互分离的情况、但这通常仅在放大器遇到开环情况(即输出达到电源轨)时发生。 即使在这种情况下、反相端子电阻也有助于限制电流。  但是、在上面的反相配置中、放大器。 将始终针对反相节点接地、因此除了偏移和偏置电流误差外、输入端应该没有差分电压、这对于该放大器而言非常低。

    但愿这对您有所帮助。

    此致、
    Mike

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    谢谢、Mike。

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    您好、Simon、

    这听起来非常有趣、并且远离任何标准应用

    由于集成的时间常量非常大、并且电荷很小、在软件中进行所有集成是否是一个好主意？ 这将使您能够简化电路。 您将专注于构建合适的 TIA、并消除集成电容器和可选放电开关的所有泄漏电流问题。 只是一个想法...

    Kai