请提供能检测0.1uA~300mA范围的放大器选型

请提供能检测0.1uA~300mA范围的放大器选型

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  • 秀才50分

    你好!我现在要设计一个电流检测设备,电流从0.1uA~300mA。设计思路如下:

    1.电源必须用超低噪声LDO(5v to 3V或者 12V to 5V).

    2.电流采样电阻采用2个温度系统好的电阻,例如用2个3 ohm +-0.1%,硬件根据放大器输出电压动态切换,电路是用一个还是2个电流采样电阻。

    3.放大器输出后经过低通后送给ADC,然后用MCU采样这个ADC信号。

    最近一直在找一个适合的运放,要求低失调输入电压,低输入偏置电流<10nA, 带宽(500KHz~1M),如果要准确检测非常小的电流,必须要考虑补偿放大器的Vos。麻烦您给出适合这个应用的运放和补偿的放大器的Vos方法,例如用DAC来补偿,如果有这方面的学习资料或者参考电路更好,非常期待你的回复,非常感谢!

    另外如果要实现这个应用成本非常高,可以考虑测量电流从1uA~100mA,谢谢!

  • 秀才50分

    如果要实现这个应用成本非常高,可以考虑电流测量范围从1uA~300mA,谢谢!

  • 进士3090分

    这么宽的范围恐怕很难用一个量程去覆盖。能否用多个检测电阻进行量程切换呢?比如用三个电阻:0.1uA~10uA用100k,10uA~1mA用1k,1mA~300mA用10欧姆?

  • 秀才50分

    非常感谢你及时回复! 由于是测量低电压供电电流,所以采样电阻本身压降不能忽悠,如果用3个量程,0.1uA~10uA用10K(压降从1mv~100mv), 10uA~1mA用100ohm(压降从1mv~100mv),1mA~300mA用1ohm(压降从1mv~300mv)。

    设备要做成量程自动切换,并且把实时采样的电流用图形显示,因此如果设计成2个量程,硬件和程序都会简单些,看是否有没有这样的放大器。 如果实在没有麻烦推荐你说的3个量程的放大器,另外用什么电路补偿Vos,如果这个问题不解决,Vos以下的电流就测量不准。我是打算设备在使用的时候用程序自动校准这个Vos。

    非常感谢!

    Dragon

  • 进士3090分

    如果对于0.1uA以下电流的测量精度要求不高的话,有一个非常简单的方案:固定用1ohm检测电阻,电压信号经过简单的RC滤波后直接接入ADS1262(放大器+ADC集成器件)进行测量。对于这样的测量系统,我认为误差的来源主要是噪声,Vos的影响很容易消除:每次测量时先通过内部开关将输入通道短路,从ADC就可读出Vos的值,然后接入待测信号,测出信号+Vos值,两次读数之差即为待测信号。通过这种方法基本可以消除Vos的影响,剩下的就是噪声了。ADS1262的噪声最低可以做到27nV (峰-峰值)因此,单次测量最大的测量误差即为27nV,对于0.1uA信号和1ohm检测电阻,测量误差最大27%,1uA以上的电流测量误差就很小了。

    若对于这种方案在1uA以下的测量精度不满意,那就得用开关切换检测电阻了。3个量程或2个量程都可以实现,只不过3量程时对于ADC的要求低些。

  • 秀才50分

    谢谢你回复!

    你帮忙推荐的ADC,我有以下concern:

    1. 最大data rates只有38400SPS,希望有1M SPS data rates,这样显示的电流波形解析度就高些。

    2. 最低噪声27nV(PK-PK),datasheet描述最低是7nV,你说的27nV是通过什么方法计算出来的。

    3. 价格的确是高大上,10美刀,不过还可以接受吧。

    我打算用贵公司的2个通道的,12bit , data rates 1MSPS的ADC,外置2.5V ADC Reference voltage,这样的好处,ADC参考电压源精度我可以控制。一路ADC测量电流,另外一路ADC测量负载上的电压,采用高端测试电流。 现在我不确定是用大采样电阻或者是用一个current sensor 100V/v gain 放大器和几个小的采样电阻好些。例如,之前说的分3个量程,0.1uA~10uA用10K(压降从1mv~100mv), 10uA~1mA用100ohm(压降从1mv~100mv),1mA~300mA用1ohm(压降从1mv~300mv),如果用这样的采样电阻,用12bit ADC不用加放大器也能测量到1mv。 另外一种是把3个量程的电阻减小100倍(100ohm,10ohm,0.1ohm),然后用一个current sensor 100V/V gain 放大器。 这两种实现方式,除了采样电阻压降差别之外,是否还有其它的差别,如噪声,测量精度等等。我不确定用哪种更好。

    如果用放大器的好些,麻烦推荐下贵公司的放大器和ADC,如果ADC要求1MPSP data rates,那运放带宽是否也要1M以上。

    关于量程自动切换,用2个比较器和MOSFET从放大器输出信号来自动切换3个量程同时产生电平信号告诉MCU,也顺便推荐下贵公司的比较器,貌似只对速度有要求,其它功耗什么都没有要求。

    还有LDO,麻烦推荐下低噪声的,输入电压就是USB的5V。

    谢谢!

    Dragon 

  • 进士3090分

    1. 采样率应该根据信号带宽来定,而不应根据显示的要求来定吧?如果信号带宽不宽而仅仅是为了提高显示的解析度,那完全可以通过内插的方式增加采样点数,使显示出来的波形看起来平滑一些。至于带宽,如果是如此微弱的电流信号,我想带宽应该不会宽。作为电流源,其内阻是很高的,高内阻和线路上的杂散电容构成的低通滤波就会使信号带宽很低。

    2. 7nV是噪声的均方根值,27nV是峰-峰值。我按照峰-峰值噪声估计误差是比较保守的。

    3. ADS1262是比较贵,但它可以节省其他方面的成本。采用ADS1262的话,是有可能免去量程切换的,因为它自身的噪声极低,有可能只用同一个电阻直接测量1uA到300mA的电流。这样就省去了用于量程切换的继电器。还有,如果有三个量程的话,三个量程就需要分别校准,校准的成本比较高,如果用ADS1262可以节省这方面的成本。当然,如果希望用廉价的ADC,那就必须分成多个量程,这回增加继电器的成本和校准成本。

    4. 低噪声的LDO你可以看看TPS7A4901。

    5. 电流检测放大器用来检测比较大的电流精度比较高,但检测几个毫安以下的小电流误差会比较大。

  • 秀才50分

    谢谢回复,我工作经验只是一些简单普通的放大信号应用,还没有这么小电流放大经验。

    1.被测试的东西是低功耗的产品,如贵公司低功耗的蓝牙芯片CC2640,还有低功耗SOC WiFi,它们的工作电流从uA级到mA级,当MCU运行的时候,电流变化速度还是很高的,如果采样速度够快,能检测到产品的瞬间的电流,例如500K to 1M。38.4k采样速度感觉不够。

    2. 在这个电路中,电流源输出阻抗应该是采样电阻,然后经过low paass RC filter 送到ADC或者运放,因此I-V输出阻抗还是很小的。

    3. 切换量程不能用继电器,因为我是测量MCU动态电流,由于继电器反应慢都是几十毫秒级别,我是用运放检从i-V放大器输出端取信号,然后控制MOSFET,由硬件自动切换量程,这个速度应该是us级。另外继电器的寿命也是问题。

    4.如果用三个量程,是用大点电阻采样,还是用小的电阻加放大器的好。

    5. 不论是用ADS1262还是用3个量程来做都可以,就是要运放的带宽和ADC采样的速度高点,例如500k~1M左右,类似做虚拟仪器,所以成本还好,但不能跟市面的皮安电流分析仪相比,采样率都是1G, 带宽200M,这个价格都是万级别了。

    谢谢!

  • 进士3090分

    1. 任何芯片,要确保正常工作,都需要在VCC上加足够大的旁路电容,通常是一个10u加多个0.1uF组合。这种情况下,即使芯片电源电流的带宽很宽,但,串联在VCC上的检流电阻上的电压信号带宽并不宽。假定检流电阻1Ω,旁路电容10uF,那么,检流电阻上电压信号的带宽也就顶多16kHz,测量电路做那么高带宽没有意义。另一方面,测量带宽很宽会使大量店员噪声、负载噪声进入测量通道,这种情况下根本无法测量微安级的小信号。

    2. 这种情况下的待测信号实际上就是电压信号了,不是我之前假定的电流信号了,前提不同了。

    3. MOSFET本身的漏电流会超过0.1uA,如果用MOSFET就别想准确测量1uA以下的电流。

    4. 如果是电路的电源电流测量,通常不允许串大电阻的,会导致电路工作不正常,恐怕只能用小电阻加放大器的方式。

    5. 如1.所述,我不认为做很高带宽有意义。如果将检流电阻串联于电源与VCC旁路电容之间,那么你实际上是看不到很快速信号的,快速信号都被旁路电容旁路了(这正是其存在的意义)。如果将检流电阻放在旁路电容与VCC引脚之间是有机会看到高速信号的,但那很可能导致芯片不能正常工作。