Rilevamento corrente da nA a mA


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Ho bisogno di rilevare la corrente di un MCU target attraverso vari periodi del suo stato on / sleep / off e quindi di inviare questi dati a un'altra interfaccia MCU per leggere il valore. Saranno entrambi sulla stessa scheda, alimentati da 5 V USB.

Tuttavia, questi sono i requisiti che ho:

  1. Alimentatore USB 5 V
  2. Deve essere in grado di rilevare le correnti nell'intervallo da nA a mA con elevata accuratezza / precisione. (I figure 1 nA a 500 mA)
  3. Misura solo la corrente dell'MCU target e non l'interfaccia.
  4. Deve emettere MCU con interfaccia massima di 3,3 V.

Ho esaminato le opzioni disponibili e gli attuali amplificatori di rilevamento di Texas Instruments non riescono a rilevare nA a causa di correnti di polarizzazione più elevate. Quindi quindi sento che avrei bisogno di un amplificatore di precisione.

Tuttavia, sono bloccato su come procedere perché, in qualche modo, devo avere un intervallo di corrente dinamico automatico e sono abbastanza nuovo per il rilevamento della corrente e non sono davvero sicuro di tutti i dettagli.


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Stai essenzialmente parlando di 9 ordini di grandezza o risoluzione di 30 bit (senza rumore). Questo è altamente non banale.
codifica

Perché? Guadagno regolabile manualmente ... Come tre resistori tra ldo e 12V: 1R, 100R e 10k.
Gregory Kornblum,

Gregory questo è quello che pensavo, l'ho visto fatto con il dispositivo uCurrent Gold. Ci sarebbe un modo per regolare automaticamente questo guadagno?
Andrea Corrado,

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Se stai bene cambiando gli intervalli manualmente, diventa molto più semplice. Tuttavia, ciò fallirà non appena il sistema di destinazione commuta la modalità di alimentazione da sola. Se si tenta di assorbire diversi mA attraverso un resistore di rilevamento da 10k, si abbassa la tensione di alimentazione e si scarica il chip.
codifica

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Qual è la tua definizione di alta accuratezza e precisione? Inoltre, a quali frequenze stai misurando? Hai molte più opzioni se puoi prenderti il ​​tempo per effettuare più misurazioni integrate rispetto a quando devi farlo in tempo reale a 5 megasample o qualcosa di simile.
Cort Ammon - Ripristina Monica il

Risposte:


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TL; DR

Viene presentato un circuito basato su una topologia di regolatore, stabile in qualsiasi carico capacitivo, che include un diodo in serie con la corrente di uscita. La tensione sviluppata attraverso questo diodo è nominalmente il log della corrente, che consente di misurare un intervallo molto ampio di corrente con un singolo intervallo di tensione. Eccellente stabilità dinamica è stata dimostrata in simulazione.

A bassa corrente, il circuito è rumoroso e lento (nessuna grande sorpresa). I risultati attuali mostrano circa il +/- 5% di rumore efficace a basse correnti, per tempi di assestamento di 10 uS per correnti di 1 uA e superiori, aumentando a 1 secondo tempo di assestamento per correnti fino a 1 nA.

/ TL; DR

Sospetto che non ti serva un'alta precisione. Pensi solo di farlo a causa dell'enorme gamma da nA a 500mA. Ovviamente +/- 1nA a 500mA richiederebbe un'accuratezza collossale. Sospetto che sarebbe utile +/- 10% a 500mA contemporaneamente con +/- 10% a pochi nA e un singolo intervallo per coprire entrambi senza commutazione.

Il pensiero iniziale, che inizialmente ho lanciato come suggerimento, è mostrato in fondo al post come riferimento.

Sfortunatamente ha un difetto fatale. Mentre può indicare 1nA abbastanza bene, poiché la corrente aumenta improvvisamente, l'uscita opamp inizialmente non si sposta, a causa sia della sua compensazione interna che di C1. Di conseguenza, la tensione di uscita scende di oltre 1v (necessaria per far fluire la corrente attraverso Q1 e D1) per un momento, il che metterebbe gravemente in imbarazzo qualsiasi MCU fornita da quella linea.

La "soluzione" consiste nell'incorporare la capacità di disaccoppiamento della rotaia MCU nell'analisi. Tuttavia, la C in più sulla linea MCU provoca instabilità, poiché è in derivazione con l'ingresso di inversione opamp e praticamente non compensabile su una vasta gamma che vogliamo.

Quindi il pensiero successivo fu "questo è fondamentalmente un amplificatore di transimpedenza, sebbene con un resistore di feedback molto non lineare, come sono stabili?" Una rapida ricerca di quelli che mi hanno portato all'articolo di Bob Pease (RAP di Nat Semi, Bob Pease - deve leggere per qualsiasi designer analogico. Se non prendi nient'altro da questa risposta, scava e leggi alcune delle sue cose!)

Fu presto evidente che la presunta capacità sul nodo di inversione dell'amplificatore operazionale, sebbene grande rispetto a pF, era molto piccola rispetto ai 10uF che potremmo trovare su una linea VCC, e il tweaking ad alta velocità assumeva un resistore di feedback costante, quindi questa topologia è stata una non-partenza.

Quindi ho pensato che se non avessimo dato il via alla MCU quando la corrente cambia, deve comportarsi come un regolatore. Ho ricordato il tantalio contro i problemi dei condensatori di uscita in ceramica degli LDO. Le architetture che si basano sul mezzo ESR di un tantalio per essere stabili non sono stabili con la ceramica. Quando la topologia viene modificata per tollerare lo zero ESR della ceramica, possono tollerare qualsiasi valore elevato al di sopra del minimo specificato.

Per far fronte a un grande condensatore di uscita, è progettato per essere il polo dominante, con una sorgente di corrente in uscita che lo trasforma in un integratore, mantenendo il resto della catena di controllo con uno sfasamento inferiore a 45 gradi. Una volta fatto questo capovolgimento, il condensatore di uscita può essere di qualsiasi dimensione più grande e LDO sarà comunque stabile. Il condensatore di uscita del regolatore fornisce tutta la tensione trattenuta durante un evento di cambiamento di corrente.

Ora ho cercato le note dell'app LDO. Questo è il nuovo design come risultato. È sostanzialmente simile a quello originale nel concetto DC, ma è costruito attorno al condensatore di uscita e utilizza i trucchi impiegati dagli LDO progettati per la ceramica, per ottenere una stabilità sufficiente.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Analisi

Q2 è il dispositivo PNP passa serie, configurato con R2 per essere corrente. Quel particolare tipo è 1 Amp, 200 hfe 150, 50v, 400MHz ft parte abbastanza di qualità culinaria che era nella libreria LTSpice. I1 lo sottopone a un valore nominale di 10 mA, per ridurre il delta V richiesto quando improvvisamente richiesto per aumentare la corrente da zero e per fornire un sostanziale dissipatore di corrente per far fronte a un'improvvisa riduzione dell'uscita di corrente.

D1 è il nostro vecchio amico l'elemento non lineare attraverso il quale la corrente di uscita sviluppa la tensione di registro. Ho usato 1n4148 come era nella libreria. È unito da R1, per definire l'estremità inferiore dell'intervallo di corrente (10mV per 1nA), D3 per catturare le tensioni inverse quando la corrente diminuisce improvvisamente e C2 mentre migliora la stabilità e il superamento dell'uscita. Si noti che se 1N4148 viene sostituito da tipi 1n400x più robusti, la loro capacità più elevata sarà completamente assorbita da C2, quindi sono sufficientemente modellati per la stabilità.

Avrei modellato un TL071. Prima ho provato un LTC1150 che aveva un GBW di 1,5 MHz, ma ho lottato per ottenere una stabilità ragionevole. Sono quindi passato all'LT1022 mostrato. Questo è un po 'più veloce a 8MHz GBW, ma ci sono molte parti molto più veloci in giro.

La rete attorno ad essa include R3 per rilevare 0v, C3 per stabilità e R4 per aggiungere uno zero a C3, come suggerito nelle note dell'app LDO. Con questi valori, raggiunti da Hope'n'Poke, non è già male. Sono sicuro che potrebbe essere meglio con un po 'di analisi adeguata. Piuttosto che usare un amplificatore stabile con guadagno unitario ancora più veloce, dovrebbe essere meglio usarne uno scompensato.

Sembra certamente abbastanza stabile per lo scopo. Chiunque costruisca questo circuito per usarlo con rabbia può trovare alcuni parassiti non modellati che riducono la stabilità, ma suggerirei che iniziano con un amplificatore ancora più veloce per darsi un po 'più di spazio per il gomito.

I2 fornisce il caricamento corrente dipendente dal tempo per la demo. Come si può vedere dalla stringa del parametro, sta oscillando da 100pA a 100mA con risetime di 100nS (quindi cambiando corrente in un ciclo di 10MHz) e viceversa. Il diodo D2 fornisce un modo conveniente per la simulazione di mostrare la corrente di log e non fa parte del circuito target.

Quando faccio simulazioni, preferisco avere tutta l '"azione" intorno a 0v, quindi per le rotaie di -5, 0v e + 5v mostrate qui, leggi rispettivamente 0v, + 5v e + 10v per l'applicazione del PO.

Questa è la trama transitoria complessiva

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Il valore DC iniziale della tensione di uscita è 0,5 mV per 100 pA, e quando vado da 1 nA, è di circa 5 mV, quindi abbiamo una discreta discriminazione a livello e al di sotto del livello di 1 nA.

C'è un leggero superamento del valore di misurazione quando la corrente aumenta.

La rotazione raggiunge i limiti del diodo quando la corrente diminuisce. C'è anche una coda di lettura di 20mS quando si passa da 100mA a 100pA, non so come migliorarlo, forse qualcuno ha un suggerimento. La coda è ancora presente quando si passa a 10nA, ma quando si scende a 100nA o più, la coda è assente. Per questa applicazione, immagino che vada bene.

Nei prossimi tre grafici, esamineremo l'importante stabilità della tensione della guida di uscita.

In aumento da 100pA a 100mA

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Il transiente ferroviario in salita è solo 12mV e dead beat. Non troverai molti LDO commerciali che offrono quel tipo di prestazioni per un cambiamento di corrente così violento.

e sulla via del ritorno di nuovo a 100pA

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Senza D3 per fornire una conduzione inversa, Vmeas oscillerebbe sulla rotaia -ve per un po 'anziché a -0,6v.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

Anche il transiente ferroviario in discesa è limitato a 12 mV. È possibile vedere la rotazione verso il basso limitata dalla velocità che è il risultato del sink di corrente I1.

Non dirò che è una prova di principio, ma penso che sia un'ottima prova di plausibilità. La simulazione include molti parassiti, Q2 Miller C, la compensazione dell'opamp, e con le prestazioni che competono con un LDO, penso che sia una base abbastanza buona da cui iniziare a sviluppare qualcosa che può alimentare un MCU, a diverse correnti, leggendo su un grande gamma.

Questo mostra Vmeas come output. Come indicato nel post originale, l'accuratezza termica sarà migliorata se misurata rispetto a un altro diodo alla stessa temperatura. Vmeas è un'uscita a bassa impedenza, quindi questo è molto semplice da fare con un semplice amplificatore differenziale.

Come in precedenza, la sostituzione di R1 con un resistore di valore inferiore fornirà un'uscita di intervallo lineare più accurata, per tensioni per le quali D1 non conduce.

Problemi di rumore

Ora che è stato sviluppato un circuito stabile, possiamo iniziare a guardare il rumore. Il grafico seguente mostra il guadagno dall'ingresso dell'amplificatore operazionale, con un condensatore da 1nF montato su C2. Le curve coprono da 100pA a 100mA. Le curve 100pA e 1nA sono indistinguibili in blu brillante e molto vicine alla curva rossa 10nA. 1uA è rosa, 1mA è blu scuro, la curva 100mA è più bassa del viola.

inserisci qui la descrizione dell'immagine

L'uso della simulazione .noise di LTSpice e l'uso di .measure per integrare il rumore di uscita su una larghezza di banda da 10mHz a 10MHz, usando un condensatore da 33nF per C2, hanno prodotto un rumore relativamente costante di 2mV rms per correnti da 1nA a 100uA, con il rumore che cade all'aumentare delle correnti fino a circa 100 uV rms a 100 mA.

La penalità dell'aumento del valore di C3 è stata il tempo di assestamento aumentato a seguito di una riduzione graduale della corrente. Il tempo entro 1mV del valore finale era approssimativamente da 10mS a 1uA, da 60mS a 100nA, da 500mS a 10nA e da 900mS a 1nA.

Il presente amplificatore operazionale, LT1022, rivendica diversi 10s di nV a 1kHz. L'articolo dell'amplificatore di transimpedenza di Bob Pease menzionato in precedenza suggerisce che 3nV è fattibile con un ingresso FET a bassa corrente, utilizzando FET discreti a basso rumore come front-end per un amplificatore composito. L'uso di un opamp così migliorato dovrebbe ridurre i livelli di rumore di un ordine di grandezza.

Questo è il suggerimento originale, per riferimento.

schematico

simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab

L'opamp servo la corrente attraverso Q1 e D1 per mantenere la tensione di uscita a 5 v, quindi la tua MCU vede sempre la sua corretta tensione di funzionamento.

La tensione misurata tra i due diodi è proporzionale al registro del rapporto tra corrente D1 e corrente D2. Mentre puoi lavorare con la tensione solo su D1, dipende dalla temperatura. Questo metodo utilizza D2 per compensare tale dipendenza.


Prendi un amplificatore operazionale con un'eccellente densità di tensione del rumore di 1 nV per sqrt (Hz) e una larghezza di banda di 10 kHz (per adattarsi agli impulsi di misurazione della corrente assorbita dall'MCU). La tensione di rumore sull'uscita sarà di 30 dispari nV RMS e questo è superiore a 100 Hz (in genere). A 1 Hz saranno microvolt di rumore, quindi come puoi dire che questo circuito funziona fino a 1nA con un grado di precisione rispettabile? Quindi devi guardare il guadagno di rumore dell'OP-AMP. Il GN sarà sostanziale data la natura del carico (bassa impedenza). Non ho sottovalutato BTW.
Andy aka

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@Andyaka non sono sicuro del punto che stai cercando di chiarire qui Andy. È la lettura del registro. Diciamo che avevamo 1mV di rumore, una stima eccessiva generosa, piuttosto che microvolt di cui ti preoccupi. Ho appena misurato un 1N4007, ed è circa 100mV per decennio di corrente (317mV a 1uA, 599mV a 1mA, 909mV a 1A), quindi 1mV di rumore è un centesimo decennio, o circa +/- 2,3%, ben entro il mio WAG per una precisione del 10%. Inoltre, 300mV a 1uA proiettano fino a 100nA / 200mV, 10nA / 100mV e 1nA per zero bias, quindi qualcosa darà qualcosa da qualche parte a una corrente abbastanza bassa. Grazie per il tuo contributo
Neil_UK,

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Modificata la risposta per includere il regime di bassa tensione / bassa corrente.
Neil_UK,

Questo è un circuito pulito. La corrente di dispersione dal ponte influirà su quasi tutto?
TLW,

La mia recente misurazione di IN4007 ha suggerito una perdita di circa 1nA a circa zero volt, immagino che i ponti tipici da 1A utilizzeranno silicio simile.
Neil_UK,

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Deve essere in grado di rilevare le correnti nell'intervallo da nA a mA con elevata accuratezza / precisione. (I figure 1 nA a 500 mA)

E....

Devo rilevare la corrente di un MCU target attraverso vari periodi del suo stato on / sleep / off

OK supponendo che inserirai un resistore di piccolo valore nell'alimentazione, quel resistore non deve "cadere" più di (diciamo) 0,1 volt a 500 mA. Se è caduta una tensione significativa, si sta compromettendo la misurazione e probabilmente facendo funzionare il dispositivo target a una tensione troppo bassa.

Pertanto, 500 mA e 0,1 volt richiedono una resistenza di valore di 0,2 ohm. Ora, quel resistore quando alimentato 1 nA produrrà una tensione di misurazione di 0,2 nV.

Vedi il primo problema? Non esiste davvero una tecnologia economica e affidabile in grado di farlo perché qualsiasi amplificatore operazionale avrà un rumore significativamente più grande di quello che stai cercando di misurare e, dato che sembri voler effettuare misurazioni dinamiche, la larghezza di banda richiesta potrebbe essere di dieci di kHz e misurerai solo il rumore!

EDIT - considerazioni sull'amplificatore di registro

  1. Supponendo una larghezza di banda di rumore di 10 kHz (circa 7 kHz di larghezza di banda del segnale per misurare adeguatamente i cambiamenti nella corrente del target), significa che un amplificatore operazionale con rumore di tensione di 1 nV / sqrt (Hz) ha l'equivalente di 100 nV RMS alla ingresso non invertente. Un amplificatore operazionale con questo basso valore di rumore è davvero una bestia rara e viene fornito con una serie di altri problemi che inseguiranno questo design.
  2. L'uso di un diodo nel circuito di retroazione ha un aspetto attraente, ma alla consegna di circa 100 nA al carico avrà forse 300 mV attraverso di esso. Come impedenza, imposta il guadagno di rumore del circuito operazionale. Quindi, 300 mV / 100 nA è una resistenza dinamica di 3 Mohm e questo valore di resistenza aumenterà solo quando la corrente di alimentazione scende al di sotto di 100 nA, cioè le cose peggioreranno a correnti più basse.
  3. Quella resistenza (la resistenza dinamica del diodo nel circuito di retroazione), insieme all'impedenza dinamica del carico, produce guadagno di rumore nel circuito operazionale quindi se l'impedenza dinamica del carico è di 1 ohm, allora il guadagno di rumore è 3.000.000 (supponendo che l'amplificatore operazionale potrebbe fornire questo circuito aperto).
  4. Il rumore di ingresso dell'amplificatore operazionale (come menzionato sopra) è 100 nV RMS o (usando 6 sigma), 600 nV pp. La metà di questo viene scartata a causa del blocco del diodo, lasciando così 300 nV amplificato di 3.000.000 e quindi potenzialmente producendo una tensione di picco di 0,9 volt.
  5. Questa è la "potenziale" tensione di rumore che potrebbe essere vista all'uscita del log-amp. Tuttavia, se il rumore di tensione supera i 300 mV, l'impedenza dinamica del diodo scende da 3 Mohm e il guadagno si riduce e, il risultato di tutto ciò è che la tensione di rumore di picco probabilmente troverà un livello di picco a circa 400 mV massimo. Ma fino a quel momento (da 0 nA a 100 nA) tutte le scommesse sono disattivate nel tentativo di ottenere una misurazione decente.

Se l'impedenza dinamica del carico è di 10 ohm (anziché 1 ohm), questa è una storia diversa, ma ciò sarà possibile data la probabilità di 100 nF di protezione sulle barre di alimentazione e la possibile presenza di valori più alti.

Quanto sarà difficile trovare un amplificatore operazionale con un rumore di sorgente così a bassa tensione che abbia correnti di rumore in ingresso davvero basse? Ricorda inoltre che per la maggior parte degli amplificatori operazionali, la tensione di rumore aumenta drammaticamente quando la frequenza scende al di sotto (circa) 100 Hz, quindi questo è un vero problema.

Quindi, per far funzionare un log-amp, la larghezza di banda deve essere significativamente limitata, ma questo dà all'OP la possibilità di misurare adeguatamente i cambiamenti dinamici della corrente quando (diciamo) l'MCU di destinazione esegue routine diverse?


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Leggendo la OP, penso che lei non vedere il problema, con commenti del tipo 'che vanno automatica' e simili. Non pensi che la tua domanda retorica sia in qualche modo condiscendente, soprattutto perché non le dai la strada per una soluzione.
Neil_UK,

@Neil_UK Non vedo una soluzione (non la tua) a meno che non vengano forniti ulteriori dettagli sulla larghezza di banda molto limitata. Se venissi come condiscendente allora, in questa particolare occasione, mi staresti fraintendendo.
Andy aka

Vedo l'idea di Neil eccellente. L'OP è stato incaricato del monitoraggio dello stato di alimentazione dell'MCU, ma i requisiti non sono stati allineati con le specifiche dell'attività, il che ha portato a una gamma assurda. In pratica, è necessario un tempo di risposta rapido solo quando MCU è in modalità attiva e consuma mAmps. Quando dorme, a nessuno importa quanto velocemente commuta nell'intervallo nA, e quindi la larghezza di banda può essere ridotta a zero. Cosa importa alle persone in questa modalità se l'MCU è entrato nello stato di basso consumo e se ci sono bug di progettazione / software che non consentono all'MCU di raggiungere i suoi obiettivi di potenza.
Ale..chenski,

@AliChen se non parli a nome dell'OP, ti suggerisco di non provare e di indovinare la situazione.
Andy aka

@Andy: sto semplicemente parlando per esperienza. Considera il mio commento sopra come una domanda a OP e permettimi di scartare il tuo suggerimento.
Ale..chenski,

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Finché non è necessario cambiare rapidamente il guadagno. Si potrebbe fare un circuito Tamp Opamp con i relè utilizzati per commutare la resistenza di feedback quando si arriva all'estremità superiore e inferiore delle gamme. Superare ~ 10-30 mA è difficile per il tipico opamp quindi la gamma alta richiede un po 'più di pensiero. Hai bisogno di sentire le correnti bipolari?


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La misurazione della corrente in un intervallo così ampio senza una significativa perdita di precisione richiede un circuito di rilevamento della corrente con resistenza regolabile. Di solito è un insieme di resistori con valori diversi accoppiati a FET o solo transistor FET collegati in serie. Questo circuito è pilotato da un circuito di retroazione: quando la corrente misurata cambia, entrambi i valori della resistenza vengono commutati sulla tensione del gate FET regolata. Agilent implementa quest'ultimo metodo in alcuni dei suoi alimentatori.

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