Come ottenere un campione analogico a deriva zero e conservarlo per ore?

Questo cosiddetto opamp "a deriva zero" si abbassa di .001V / sec, a temperatura di 85 ° C con un tappo da 1 uF. Se sto leggendo le specifiche correttamente, sono 3,6 V / ora!

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf398-n.pdf

Esiste un metodo per memorizzare una bassa corrente V per un massimo di circa 5 ore con deriva o caduta nella risoluzione desiderata di circa 250 ppm o 12 bit equivalenti?

"Bassa corrente" significa scala mA o uA.

La frequenza di campionamento è compresa tra una volta al secondo e una volta ogni 5 ore.

Preferisco rimanere nel dominio analogico, perché voglio esplorare ed espandere le mie conoscenze analogiche.

La soluzione dovrebbe essere pratica e utilizzare componenti comunemente disponibili

Le soluzioni digitali sono ok, ma dovrebbero essere prive di codice, quindi sono accessibili ai non programmatori e non richiedono l'implementazione di un computer, quindi sono accessibili alle persone che non possiedono un computer (come ad esempio gli adolescenti economicamente svantaggiati) .

Non chiedere numeri di parte specifici, solo il metodo di base.

aggiornamento:
il produttore ha confermato che la mia stima droop all'ora è corretta. Secondo il produttore, il droop è in gran parte influenzato dalla corrente di polarizzazione in ingresso dell'amplificatore buffer e da qualsiasi perdita che può verificarsi attraverso l'interruttore - non solo una normale perdita di condensatore. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

Bene, sembrano esserci soluzioni, anche se è un po 'un tuffo nel passato ...

A Survey of Analog Memory Devices (dal 1962)

"Il transpolarizzatore, un analogo elettrostatico del più noto transfiuxor ..."

Per una soluzione più moderna, un micro con ADC e DAC sembra la strada da percorrere. Inoltre, a differenza delle soluzioni analogiche, è molto più probabile che sia stabile con la temperatura, che è sempre un bel vantaggio ...

Informazioni sui tappi di grandi dimensioni: ci sono diversi problemi.

• Il valore del condensatore dipende dalla temperatura, quindi con una quantità costante di carica nel tappo, la tensione varierà con la temperatura. L'effetto sarà minuscolo o enorme, a seconda del tipo di cappuccio.

• La perdita di condensatore dipende molto dalla temperatura (per elettrolitici)

• X7R è un microfono piezoelettrico.

• L'assorbimento dielettrico significa caricare il cappuccio, quindi scollegarlo, attendere un po ', quindi la tensione su di esso ora è diversa! E dipende dalla tensione che era lì prima di caricarla (o scaricarla). Inoltre, per tappi di grandi dimensioni destinati al disaccoppiamento dell'alimentazione, l'effetto è assolutamente innocuo, quindi nessuno se ne preoccupa e quindi non ci sono specifiche. Non so se dipende dalla temperatura e dall'invecchiamento, ma non c'è motivo per cui non lo farebbe. Otterrai solo una specifica utile per i tappi destinati a integratori di alta precisione e cose del genere.

Ricordo di aver misurato le perdite su un tappo FR 470µF 6V3 Panasonic. L'ho caricato a 5 V per alcuni minuti, quindi l'ho misurato ogni pochi minuti. La tensione calerebbe rapidamente a causa di DA, quindi si stabilizzò a circa 4V. Ho lasciato il cappuccio su uno scaffale per una settimana e ho misurato di nuovo. La perdita calcolata era nei nanoamp, ma dovresti tenerlo alla tensione target per un po '(come almeno diverse ore se non giorni) per superare l'assorbimento dielettrico ... quindi sarebbe completamente inutile in questa applicazione .

Ottieni un potenziometro motorizzato. Per campionare usa un opamp per portare la differenza a zero, per tenerlo premuto non spostarlo. La precisione sarà probabilmente piuttosto bassa, ma ehi nessuna deriva.

Con i componenti analogici standard la risposta sarebbe no, non proprio.

Naturalmente, con condensatori abbastanza grandi o altri elementi di archiviazione, è possibile mantenere il livello entro un differenziale desiderato per un lungo periodo, ma ci sarà sempre qualche perdita nel tempo. Inoltre, l'atto di estrarre informazioni dal dispositivo di archiviazione rimuove l'energia da quel dispositivo.

Teoricamente, con un circuito superconduttivo, opportunamente isolato da qualsiasi campo magnetico esterno, è possibile stabilire una corrente indefinita. Ma ancora una volta, misurare quella corrente implicherebbe la rimozione di energia.

AGGIUNTA

Un'altra alternativa potrebbe essere quella di magnetizzare "permanentemente" alcuni materiali o sostanze in presenza di un sensore ad effetto hall. Con il materiale giusto, è possibile memorizzare quel "livello" per molto tempo.

Ma, naturalmente, sarebbe molto più economico e più semplice solo farlo digitalmente.

Tuttavia, non è necessario un micro.

Di seguito è riportato un circuito ibrido analogico / digitale Peak Detect e Hold.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Il circuito utilizza un DAC follower per spostare un livello di tensione da un contatore per abbinare la tensione sul condensatore. Una volta abbinato il valore DAC, il conteggio si interrompe e la tensione di uscita verrà mantenuta finché l'alimentazione è attiva o fino all'invio del segnale CLEAR. Il tappo ora deve solo mantenere il livello di picco per quanto tempo impiega il contatore a salire a quella tensione. Ovviamente, la granularità dell'uscita dipende dal numero di bit nel contatore / DAC.

Un vero circuito "Sample and Hold" richiederebbe un input aggiuntivo come mostrato di seguito, o qualche forma di comparatore di finestre per rilevare quando il contatore si trova all'interno di un gradino del valore.

^{simula questo circuito}

Se la velocità di risposta del contatore / DAC è maggiore della velocità di risposta del segnale originale, non è necessario il campionatore analogico.

Sebbene molto più semplice in digitale, puoi certamente farlo in analogico con un'attenta selezione delle parti.

In sostanza, sono necessari tre componenti ad alte prestazioni:

• Un condensatore a bassa perdita
• Un interruttore analogico a bassa perdita
• Amplificatore operazionale con corrente di polarizzazione in ingresso bassa per il buffer di uscita

Dimentica i condensatori ceramici convenzionali se prevedi di resistere per ore. La soluzione migliore è un condensatore a film in polipropilene. Bob Pease ha scritto un ottimo articolo sulla caratterizzazione del loro tasso di dispersione: che cos'è comunque questa perdita di condensatore? È all'ordine dei millivolt al giorno, che probabilmente è sufficiente per la tua applicazione.

L'interruttore è una parte spesso trascurata di questo. Scoprirai che anche i migliori interruttori analogici allo stato solido disponibili presentano perdite nella gamma di alcuni picoamp. Un tasso di perdita di 10 pA significa che per un limite di 1uF, drenerai 180mV in un periodo di cinque ore. Questo può o meno essere accettabile per te. Se devi fare di meglio, una soluzione migliore è un relè reed, che presenta una perdita sostanzialmente trascurabile a causa del fatto che crea effettivamente un traferro tra i contatti.

In termini di opamp di corrente di polarizzazione a basso input, ci sono alcune opzioni disponibili. Di recente ho usato LMP7721 di TI su un design ad alta impedenza. Ha un massimo Ib di 20 fA a temperatura ambiente e 900 fA a 85 ° C.

Quindi, possiamo facilmente immaginare un design che incorpora un cappuccio in polipropilene, un relè reed e un buffer Ib basso. Immaginiamo di usare:

• Un 0.33uF Vishay polipropilene condensatore in , che ha una costante di tempo RC da una perdita nell'ordine di$4 \cdot 10^5$ secondi a temperatura ambiente.

• Un relè reed best-in-class , con una resistenza a circuito aperto di$10^{14} \Omega$.

• L' opamp LMP7721 precedentemente citato .

Con i componenti sopra a temperatura ambiente, dopo 5 ore si otterrebbero i seguenti contributi di errore:

• Un calo del 4,5% dalla costante di tempo RC del cappuccio.
• Deriva sostanzialmente trascurabile dal relè reed
• Deriva sostanzialmente trascurabile dal buffer.

Ciò presuppone che si disponga di una corretta disposizione a bassa impedenza (ad esempio: soldermask rimosso dalla scheda, utilizzare un anello di protezione guidato).

Inoltre, il valore RC per il cappuccio in polipropilene è un valore nel peggiore dei casi: il mondo reale è probabilmente migliore.Correzione: questo è un valore tipico. Tuttavia, come Pease ha trovato nell'articolo collegato sopra, un cappuccio in polipropilene dopo l'immersione può avere un tempo costante nell'ordine degli anni. Ciò richiederà quindi qualche sperimentazione e probabilmente binning.

Quindi, è certamente possibile farlo in analogico, anche se probabilmente non è pratico quando l'alternativa è digitalizzare l'output.

L'ho visto fatto con un relè reed, un amplificatore operazionale AD545 (ce ne sono di migliori ora) e un grande condensatore in polipropilene da 100 volt. Il produttore di schede può eseguire tagli sulla scheda che funzionano meglio dei soli anelli di guardia. Il relè NON era un tipo stampato epossidico ma un tipo di "telaio aperto" di qualche tipo. L'amplificatore operazionale era in lattina, ma non sarà possibile in questi giorni.

Questo impianto è rimasto stabile per giorni.

Soluzione 1

Se si conosce la pendenza di dispersione del cappuccio, è possibile "riempire" ripetutamente il tappo a intervalli temporizzati, per compensare la caduta.

Tuttavia, la pendenza è probabilmente non lineare, quindi l'importo di completamento sarebbe non lineare. È possibile che l'importo possa essere una semplice percentuale del livello di addebito del limite, il che semplificherebbe le cose.

Soluzione 2

Se hai accesso alla funzione di fabbricazione di chip, potresti essere in grado di replicare questa cella di memoria analogica non volatile a 3 transistor con risoluzione effettiva di 14 bit che consiste nella carica memorizzata su una porta flottante a transistor MOS, è scritta per mezzo di elettroni caldi iniezione e cancellazione mediante tunnel di ossido di gate. Dimensioni ridotte e basso consumo energetico. "

https://pdfs.semanticscholar.org/ed68/f94ad3d4bfad1126e83d152e23e6e6e0e495.pdf

O questa tecnica, utilizzando EEPROM come dispositivo di archiviazione analogico:

https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/PUBLICATIONS/Hu_papers/Hu_JNL/HuC_JNL_194.pdf

Soluzione 3

Anche se non analogico, è possibile utilizzare un chip ADC dedicato direttamente a un latch. Ciò potrebbe evitare di utilizzare un MCU, che mantiene la soluzione priva di codice, per l'OP.

Potrebbe essere necessario utilizzare vari chip logici discreti, orologi o contatori per far funzionare il blocco.

Si dice che questo chip Maxim funzioni senza MCU (non con l'approvazione del prodotto).

https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1041

Ecco un altro esempio di utilizzo di un ADC senza MCU. Questo sistema è molto più complesso di quello di cui ha bisogno l'OP. Ad esempio, come registratore audio, la frequenza di campionamento e i requisiti di archiviazione superano di gran lunga le esigenze dell'OP.

http://ultimationee.blogspot.com/2011/09/digitally-recording-and-playing-back.html

Soluzione 4

È possibile utilizzare potenziometri digitali comunemente disponibili ed economici. Sono disponibili con archiviazione permanente e sono semplici da usare.

Tuttavia, la loro risoluzione non è molto elevata, che varia da 100 a 256 passaggi. È possibile utilizzare 5 in serie per ottenere 12 bit di risoluzione effettivi.

Potrebbe essere guidato direttamente da un ADC sull'ingresso, evitando un MCU. Quindi in pratica li useresti come un fermo. Un fermo potrebbe essere più semplice.

Questo collegamento non è inteso come approvazione di alcun prodotto o distributore

https://www.mouser.com/Mobile/Semiconductors/Digital-Potentiometer-ICs/_/N-4c498/