尊敬的 Henry：

您可以考虑使用单个精密放大器在单级放大器上执行 Sallen-Key 低通滤波器功能/缓冲器。  Sallen-Key 提供高输入阻抗。  如果您想以10nA 的精度测量电流、可以考虑使用精密 CMOS 线性运算放大器器件、例如 OPA192、它具有非常低的输入偏置电流 、典型值为±5pA、具有低失调和低漂移。

如果您对精确测量达到5V 满量程感兴趣、而不关心高于5V 的运算放大器输出、您可以使用+6.5V 和-5V 电源为缓冲器/滤波器放大器供电。  Sallen-Key 滤波器配置 在同相放大器输入端使用电阻器。  如果故障期间的 RSENSE 电压将达到+12V、您可以设计滤波器并调整输入电阻器组件、以便串联电阻保护运算放大器同相输入、从而在 RSENSE 达到12V 时发生故障期间限制输入电流。

请注意、在 使用 OPA192的情况下、故障期间运算放大器的输出仅受运算放大器电源的限制。  如果运算放大器由+6.5V 和-5V 双极电源供电、并且您的 ADC 只能承受0V 至5V 的单极电压、您仍需要在运算放大器输出端设置钳位、以便在出现故障时保护 ADC 免受负电压和5.3V 以上的电压影响。

谢谢。此致、

路易斯

您好、Luis：

感谢您的反馈和建议。 我对这两种方法(具有集成开关的放大器或对数放大器)作为一种可能的解决方案非常感兴趣。

但我想请您对我必须尽可能实现最佳精度的想法发表意见。 我想在一个增益为1或2或者可能更高(取决于所使用的感测电阻)的感测电阻上使用一个差分放大器。 然后是已经讨论的 LPF。 例如、如下面的图1所示。 需要说明的是、最近有一项要求迫使我使用较小的限流电阻器、其电阻值可能在30到40k 之间。 而且、由于系统的高电压、我还需要使感测电阻保持相对较低的值、以便该比率不会在感测节点处产生过高的电压。 我希望检测电阻的电阻值大约在500到1k 欧姆之间。

关于差分放大器和检测电阻、我认为最好通过将其与另一个电阻器串联来将其从地面上"提升"。 这是降低共模噪声的有效技术吗？ 由于差分放大器的内部电阻器、传感电路的输入阻抗是否显著降低(图2)？ 这一定是一件坏事吗？

图1差分放大器+ LPF

图2差分放大器引脚排列

谢谢！

尊敬的 Henry：

我需要问几个问题：

-您的测量所需的直流精度是多少(以纳安或微安为单位)?

-您的测量所需的分辨率(以 uARMS 为单位)是多少(以纳安或微安为单位)?

-连接在放大器电路的输出端的 ADC 位分辨率是多少?

-什么是 ADC 基准电压或 ADC 满量程范围?

TIA 的优势在于提供相对较低的阻抗输入、其中 TIA 提供虚拟短路、并允许您独立地将电流转换为电压。 TIA 增益由反馈电阻器独立设置。

同样、对数放大器也可以提供相对较低的输入阻抗。

差分放大器或仪表放大器测量分流器上的电压肯定可以正常工作、但是、对于上面的差分放大器和/或缓冲器/滤波器电路、我的主要问题是、您刚才提到的原始文章需要测量10nA 范围内的低电流、 这是一个非常小的 分流电阻器上的电压,分流器上的500 Ω* 10nA = 500nV,这将非常敏感的噪声和固有的误差,甚至是一个非常低的噪声,高精度放大器; 除非我们增加电阻器、否则您在最低电流测量方面的精度会更宽松。

上述问题将帮助我们了解不同的可能性、   

谢谢。此致、

路易斯

您好、Luis、您说得对、我需要对我的要求更加清楚。 特别是我主张需要使用较小的检测电阻器、因此低电流范围内的精度将受到影响。

1)直流精度-在纳安范围内、它并不那么重要、但我希望能确信当系统报告低于1uA 时、我"在球场中"。 电流高于1uA 时、我需要相当精确。 即、对于电流大于1uA 的情况、我希望处于5%以内。 低于1uA、10-20%的精度可能已经足够好了。

2) 分辨率-此系统的旧版本报告的电流为几十纳安。 我可能可以将其放宽到50nA 的倍数、或者使用较小的传感电阻器可能为100nA。

3/4)我使用的是20位 ADC、采样速度非常慢、大约180次/秒。 我在电压基准/满量程范围上有一些灵活性。 我正在使用的微控制器(PSoC 5LP 系列)有一个非常好的0.1% 1.024V 的内部基准电压。 我可以使用1X、2X 或6倍的 Vref 作为范围。 或者、我可以使用 VDD 作为满量程范围、尽管精度不太高。 我还可以提供范围在0.9 - 1.3V 之间的 Vref。 我正在考虑让1.25V 为该具有较小传感电阻器的系统使用0-2.5V 电压范围。 尽管实际上0 - 2.048V 也没有问题、但我要使用1K 感应电阻器测量最高2mA 的电压。 对于该范围、分辨率大约为每 div 1.95uV。  

使我的设计选择复杂化的另一个因素是保护。 我在开始时提到过、这是高压系统的一部分。 我需要保护测量电路免受 DUT 短路的影响。 请参见下面的原理图。 由于我在上一篇文章中提到的限制(如果您愿意、我可以详细介绍这一点、但现在可以认为是理所当然的)、我将把限流电阻器和感应电阻器的总电阻限制为小于40k 欧姆。 该系统可使用高达1760VDC 的电压。 因此、如果 DUT 短路、并且我们有一个分压器、例如所示的38k 和1.5k、则感应节点的电压为67V。 正是出于这个原因、我正在考虑使用一个在高端上提供大约20V 电压的差动放大器、该放大器能够承受超出其电源电压的电压。 然而、现在似乎更实用的方法是使用运算放大器并使用一个大约17V 或18V 的齐纳二极管来保护其输入。 我只需在选择器件时小心、以找到一个在测量范围内的较低电压下不会产生严重泄漏电流并且 能够处理 功率耗散的齐纳二极管。 那么、我仍然需要在输出端提供保护来保护 ADC。 这可以通过另一个~5V 齐纳二极管或依靠具有输入过压保护的专用运算放大器来实现。 还应注意的是、有一个高压继电器、可以在过流(或电流超过测量范围)的情况下打开、但禁用速度不是很快。 但其值应小于1s、因此齐纳电阻和限流电阻必须处理一些功率、但绝不能长时间连续。

图1短接 DUT 和 ABS 最大高压输入

希望这能为您提供更多背景信息并缩小设计要求范围。 感谢您的所有反馈、期待您的意见！ 当然、如果您对要求有更多问题、请告诉我。

亨利

尊敬的 Henry：

以下是几个想法：

配置为 G=2的 INA592差分放大器的差分输入阻抗为6kΩ、+ 6kΩ= 12kΩ。  检测电阻是1kΩ、并且与仪表放大器的12kΩ 输入阻抗相比相对较大、因此在所有电流范围内的电流测量值都将存在约~7.8%的误差。   一个简单的解决方案是使用 OPA2206双路运算放大器来缓冲 INA592的输入。  OPA2206具有 超出运算放大器电源轨±40V 的过压保护功能、低噪声和相对较低的输入偏置电流(低于1nA)。  我们可以将 OPA2206设置为简单的缓冲器或在增益配置中、并使用差分放大器按照 OPA2206级进行操作。  

另一个选择是 INA849、可在仪表放大器输入端放置10k 串联电阻器。  在67V 故障期间、仪表放大器输入端的10kΩ 串联电阻将流入 INA 输入引脚的电流限制在少于~μ A 10mA。  由于采样速率较慢、因此串联电阻器的热噪声影响很小。  INA849提供非常好的直流精度、低漂移、相对低噪声(高增益下为超低噪声)和高输入阻抗。  

如果您的20位 ADC 接受全差动输入：

如果20位 ADC 接受全差分输入、则可以使用 INA851全差分输出仪表放大器。  在默认情况下、INA851可提供高于器件电源电压高达±40V 的过压保护。  该器件的增益可通过单个 RG 电阻器进行设置。  INA851输入级可由+30V 和-5V 电源供电。  INA851输出级采用内置钳位电路、可保护 ADC 或下游器件免受过驱损坏。  实际上、您要将 VCLAMP+和 VCLAMP-引脚连接到 ADC 电源。 INA851输入级具有非常低的噪声、尤其是在您为增益设置输入级时。 输入偏置电流的典型值为~5nA (整个温度范围内最大值为18nA)。

请参阅以下内容：

PGA855是 可编程增益放大器、也是一个全差分输出器件、 在器件电源之上/之上具有高达±40V 的过压输入保护。 可以使用 +30V 和-5V 电源为输入级供电。 输出级具有一组独立的电源、并可由 ADC 电源供电。 该器件提供从 0.128x、0.250x 到16倍受控增益的可编程二进制增益。  该器件通过调节增益、超低噪声和低输入偏置电流、可非常灵活地支持不同范围的电流。   

然而、PGA855或 INA851器件主要用于全差分输入 ADC。  请告诉我、我是否应重点介绍单端或全差分 ADC 输入。  还可以使用 PGA855和 INA855、并随附一个差分放大器、用于执行差分至单端输出转换。

谢谢！

此致、

路易斯

尊敬的 Henry：

通过单端输出解决方案、您当然可以实现高精度性能。 上面介绍的是全差分选项、因为它包含了 ADC 提供全差分输入时可能感兴趣的钳位和其他功能。 也就是说、大多数仪表放大器为单端输出、并且众所周知也能在高精度、低噪声系统中实现非常高水平的性能。

是的、您当然可以在差分配置中为 OPA2206配置3个精密、低漂移电阻器、从而使您能够灵活地将它们设置为增益配置。 如果您决定使用1V/V 的增益、只需将 RF1/RF2替换为0欧姆、并使 RG 保持空载状态。

如果您有想要查看的原理图、请告知我们。

谢谢！

谢谢、

路易斯