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[参考译文] pA 至 nA 电流感应-哪种放大器产品?

Guru**** 1097660 points
Other Parts Discussed in Thread: INA190, OPA928, OPA928EVM, LOG114
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/1217761/pa-to-na-current-sensing---which-amplifier-product

主题中讨论的其他器件:INA190OPA928OPA928EVMLOG114

我有一个低电流测量应用、我正在考虑为其使用 TI 电流感应放大器(或简称为运算放大器、但我最近了解到了为什么这不是一种审慎的做法)。 我在根据我的实验设置选择正确产品时需要帮助。

我们使用 Keithley 6430高精度 SMU 在电阻非常高的 DUT 上提供电压。 DUT 由夹在掺杂硅导电轨之间的双极有机色标组成、本质上是一个可变的"泄漏"电容器、当材料被加热到高于其玻璃转化温度时、它会传递更多的电流。 准备此类器件需要一个恒定极场、由上述 SMU 和标准电源供电。 我们的测量电路涉及在电压源之间进行机电切换、我们希望能够使用示波器来查看得到的电流响应。 由于源极电压必须保持在15V 左右、DUT 电阻为数百千欧、因此我们最终在稳态下得到大约10pA 的电流、达到10ish nA 以响应脉冲"电压阶跃"。

为了查看这个低电平电流响应、快于 SMU 记录到其缓冲器中的速度、我们需要一个高精度运算放大器将其转换为适当的振幅电压信号以输入到示波器。 现有的测量电路支持低侧感测方案、但如果该社区认为高侧感测是更好的方法、则可以构建新的方案。 首选双向电流检测、并且能够偏移输出以使响应居中将会大有裨益。 示波器输入灵敏度约为1mV/div、因此理想情况下我们希望放大器输出为数百 mV 到几 V。

我对模拟电路工程非常陌生、这是我第一次需要来自一群知识更好的工程师、而不是与 AE 一对一沟通。 希望我所提供的信息是一个足够好的起点。

  • 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。

    Kevin:

    适合您情况的限制值将是输入偏置电流(Ib)需要达到的最小值。 我们的器件有少量电流 流入我们器件的两个输入端、这会在测量小电流值时导致误差。 通常、这些约为 µA μ A、但具有最小 Ib 的器件是偏置电流低至500pA 的 INA190。 如果您希望测量10nA 的峰值电流、并测量大约50pA 的稳态电流、这将意味着峰值幅度误差为5%、稳态误差为1000%、因此我建议您改用输入偏置电流低得多的仪表放大器。

    我将在发帖后、将此主题分配给负责仪表放大器的团队。

    Levi DeVries

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    您好、Kevin

    由于源极电压必须保持在15V 左右,且 DUT 电阻为数百 GOM,我们最终在稳定状态下得到大约10s pA 的电流,以响应脉冲"电压阶跃"。

    我们的一款新型超精密运算放大器是 OPA928、该运算放大器的共模输入电压可处理高达16V 的电压、具体请参阅以下链接。  如果 双极有机色标单元的顶部和底部电极保持在15Vdc、您可以将该单元的输出电流输入到跨阻放大器(TIA)中、在该放大器中测量输入电流到输出电压或电流到电压转换器。 该电路对于测量电池中的电流非常精确、您应该会看到使用转换器进行的测量误差百分比非常低。 TIA 电路通常用于通过光电二极管检测器将光(光子)转换为电压。   

    https://www.ti.com/lit/ug/tidu535/tidu535.pdf?ts=1681852486356&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    如果您能向我提供 DUT 的输入特性、如输入电容、输出电流范围(最小值到最大值)、步进频率响应、输出电压电平、直流或交流测量或两种测量、我可以为您模拟条件。  

    下面是 DUT 的阶跃响应中提到的仿真示例(您正在尝试执行的操作的推测)。  

    e2e.ti.com/.../OPA928-TIA-step-Response.TSC

    如果您想保留专有产品信息、可以通过 E2E 申请"友谊"查询、我们在那里设有私人 E2E 消息支持论坛或我们可以交换技术。 我们也通过内部电子邮件提供给您。 请联系我们。  

    此致!

    雷蒙德

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    根据到目前为止的回答、我将添加几个注释、以阐明实验的目的以及我们希望测试的条件范围:

    1.迄今开发的色度量始终需要在整个温度周期内施加恒定极场,以锁定它们的对齐位置。 我们*所做*所知道的是,逐渐升高极化电压,例如一次升高1V,会导致电流瞬变在电压升高时上升为正,在电压降低时上升为负。 我们*不*知道的是,材料将如何对所施加电压中的任何临时损失作出反应,如切换继电器时所遇到的,以及这可能对其后续在所选装置中的性能产生什么影响; 我们需要模拟从极化电平到0V 的脉冲电压行为。最终、我们可能希望在极化电路中包含一些 LC 滤波元件来抑制这些电流瞬变、但这是后续实验。

    2.我选择了一组条件来说明我们的基本实验,但在现实中,我们希望能够在更广泛的磁场范围内放大电流,达到300V/um 或更高的水平。 这意味着我们需要能够提供0-45ish V 之间的任意电压。希望组件和电路构建的成本足够低、以便对不同的材料/器件组合进行多次迭代、 而原来的帖子中提到的条件只是为了给我们一个起点。

    V í@Levi Devries 的此处、这是输入偏置电流的绝佳起点、而 IA 可能正是我们正在寻找的器件。 非常感谢你在这方面提供的任何进一步的意见。

    R θ@Raymond Zhang1、我从一开始就误解了 TIA 的性质:输入是否需要来自实际的电流源、而不是仅仅是由于施加了极化电压而流入电路并流经 DUT 的电流? 是的、您发布的该仿真与我们尝试实现的仿真非常相似! 遗憾的是、我没有您提到的任何仿真所需的特征;在此特定器件应用中、有机材料只是还没有以这种方式进行表征。

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    尊敬的 Kevin:  

    封闭式是每种 色度器件的另一个仿真。 OPA928是最先进的超低 IB 运算放大器、它非常适合该应用。  

     

    e2e.ti.com/.../OPA928-TIA-Chromophores-04182023.TSC

    最高可达300 V/um 或更高。

    我相信您正在尝试描述 色标器件的特性。 假设您能够控制 DUT 的三明治厚度,例如10Nm 或1nm 或100s 埃斯特龙水平,那么您就能够降低所施加的电势。 您可以使用精密玻璃珠控制夹层厚度或表征器件的薄膜厚度(如果这是固态薄膜堆叠)、因此应用的电池电势不会像所需的那么高。  

    我们还有其他高电压差动放大器、当到达验证点时、它可以在实际器件中具有高施加电压的情况下工作。 它可能与上述仿真不同的电流测量电路、当您到达该点时、我们可能能够为您提供解决方案。  

    关于电流特性、我认为应用可能只关注瞬态交流电流响应(也可能是直流)。 如果是这种情况、我们可以解决实际色度器件的高压共模问题。

    下面是 OPA928EVM、您可以从其中检查应用的配置。  

    https://www.ti.com/lit/ug/sbou282a/sbou282a.pdf?ts=1681859771896&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    如果您有其他问题、请告知我们。  

    此致!

    雷蒙德   

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    尊敬的 Raymond:

    我们的器件采用片上制造、因此电极间距是固定的。 如果我们尝试使用 OPA928或 OPA928EVM、我们需要将电路配置为高侧测量还是低侧测量?

    我们对瞬态电流响应(以及如何最终将其滤除)以及直流电流都非常感兴趣。 事实上、我们使用直流电流来指示聚光过程中的色谱排序(即分子越对齐、我们看到的电流越大)、这对于最终的器件效率至关重要。

    与您建议的精密运算放大器相比、就 Levi 关于使用 IA 的建议而言、您是否有任何输入?

    谢谢。

    -凯文

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    尊敬的 Kevin:  

    就 Levi 关于使用 IA 的建议而言,您是否有任何输入?与您建议的精密运算放大器相比?

    Levi 和 I 都推荐使用低 Ib 模拟前端(AFE)、但在这种情况下、TIA 和仪表放大器(IA)对于低电流测量具有稍高优势。 INA190还具有零漂移和其他设计优势、它取决于应用和符合特性要求的%ERROR 要求。  

    由于 OPA928可以在16Vdc 的电压轨下工作、因此我现在应该将电流测量值保持在高侧。 如果 VCM 模式电压较高、则可能需要适应低侧电流测量。 我想 Levi 属于电流感应应用团队。 如果测得的电流较高、则电流监控器产品也可以正常工作。 此外、一些现有的产品也有宽的 VCM 范围。 因此、我们必须分别评估每个应用和用例。   

    https://www.ti.com/lit/an/sboa374/sboa374.pdf?ts=1681860587579&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

    另一种可能的电流测量方法是对数放大器、例如 LOG114、它具有超过8个十进制的电流输入动态范围。 总之、我将为您提供不同的超低电流测量技术、您可以决定如何进行测量。 就电流测量应用而言、它们各有利弊。   

    https://www.ti.com/lit/ds/symlink/log114.pdf?ts=1681865889083&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FLOG114

    如果您有其他问题、请告诉我。  

    此致!

    雷蒙德

  • 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。

    尊敬的 Kevin:  

    我将结束本次调查。 如果您有其他问题、请告知我们。  

    此致!

    雷蒙德