Transimpedanzverstärker mit programmierbarer Verstärkung für Widerstandsmessungen mit 4–5 Dekaden unter Verwendung von Impulsspannung/-strom

Wie Sie meiner vorherigen Frage entnehmen können , versuche ich, den Widerstand im Bereich von 200 k-60 Ohm (ca. 4-5 Dekaden) zu messen. Ich werde eine Impulsspannungsquelle (5 us Impulsbreite und 50 ns jede Anstiegs- und Abfallzeit) von 200 mV (max.) über dem RUT (zu testender Widerstand) verwenden und den Impulsstrom mit einem Transimpedanzverstärker (TIA) messen.

Jetzt plane ich einen TIA mit programmierbarer Verstärkung und hier ist die folgende Schaltung.

Ich habe 4 ungefähre schaltbare Verstärkungen von etwa 430, 4,3 k, 43 k, 430 k gewählt, die gut genug sind, um den oben genannten Widerstandsbereich zu messen. In der Schaltung habe ich einen Operationsverstärker LTC6268 mit extrem niedrigem Eingangsvorstrom und niedriger Eingangskapazität mit einer Versorgung von ±2,5 V verwendet, gefolgt von einem invertierenden Verstärker ( LTC6228 ) mit einer Verstärkung von 3. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers geht an einen ADC mit bipolarem Eingang [ AD7606C-18 ] (daher ist das Invertieren nicht wirklich erforderlich, aber ich habe es vorerst behalten.) Der Schalter ist ADG613 (4 SPST-Schalter) mit geringer Ladungsinjektion und niedriger Ein / Aus-Source / Drain-Kapazität (jeweils 5 pF bei Freq = 1 MHz) .

Es sind 4 Widerstände mit 4 Schaltern verbunden. Die Spannungsquellen V8, V7, V6 sind digitale 3,3-V-Impulse (eher digitale Schritte, siehe Punkt '1' unten), um den 430-k-Widerstand, den 47-k-Widerstand, den 4,7-k-Widerstand bzw. den 430-Ohm-Widerstand zu verbinden / zu trennen. V9 ist hier nur ein Dummy, da der 430k-Widerstand immer angeschlossen ist (der Trigger ist permanent mit Masse verbunden). Jetzt kann man den Wert der Widerstände in Frage stellen, die nicht mit meinen Gewinnen übereinstimmen. Die Gründe sind:

1. Ich werde die Verstärkung ändern, indem ich Widerstände (mithilfe der Schalter) parallel hinzufüge, indem ich sie nacheinander verbinde (höher nach niedriger), ohne den vorherigen zu trennen, und den äquivalenten Widerstand (vom höchsten zum aktuell niedrigsten) und damit den Äquivalenzgewinn. Die Spannungsquellen V8, V7, V6 wirken wie digitale Sprungtrigger für die Schalter, die sie mit einer gewissen Verzögerung nacheinander aktivieren. Anstatt einen Widerstand nach dem anderen einzuschalten, habe ich gesehen, dass dieser Ansatz Störungen ein wenig reduziert.
2. Bei einigen Versuchen und Irrtümern in der Simulation stellte ich fest, dass bei Betrachtung von Ansatz '1' und des Innenwiderstands des Schalters (der modelliert wird) der gewählte Satz von Widerständen eine ziemlich anständige Annäherung an die oben genannten Verstärkungen ergibt.

Ich verwende 4 Impulse für die Einzelwiderstandsmessung und während dieser 4 Impulse würde die Annäherung an '1' verwendet (dh bei jedem Impuls einen neuen Widerstand mit niedrigerem Wert anschließen, um eine neue äquivalente Verstärkung zu erzielen), was mir vier verschiedene Ergebnisse liefern würde und Mithilfe von Software-Schwellenwerten kann ich einen der 4 Messwerte auswählen, um eine genaue Messung zu erhalten.

Hier sind einige Ergebnisse beim Ausprobieren verschiedener Dekaden von RUT 60 Ohm, 600, 6k, 60k, 600k in der jeweiligen Reihenfolge. V(n008) ist der Ausgang (in grün). V(n009) ist der Eingangsimpuls (in grau) und der Rest (V8, V7, V6) sind Auslöser der Schalter. Der Ausgang wird nur während der Eingangsimpulse abgetastet, daher sind Glitches aufgrund des Schaltens kein wirkliches Problem, solange sie sich vor dem eigentlichen Eingangsimpuls einpendeln. Hier ist ein weiterer Satz von Ergebnissen (Schalttriggerspannungen sind ausgeblendet), die die Störungen deutlicher zeigen. Die Parameter sind genau die gleichen wie beim vorherigen Ergebnis.

Wie Sie bei kleineren Widerständen sehen können, führen die höheren Verstärkungen dazu, dass der Operationsverstärker die Sättigung erreicht, und daher habe ich einen sinnvollen Bereich von 4 V und 0,4 V für die Messung in jeder Dekade gewählt, um gültig zu sein (Software-Schwellenwert wie zuvor erwähnt).

All dies sieht in der Simulation gut aus, aber bevor ich es in die Leiterplatte einbaue, möchte ich Ihre Meinung zu den erforderlichen Änderungen und Überlegungen wissen, die erforderlich sind, um dieses Simulationsverhalten so nah wie möglich an der tatsächlichen nicht idealen Leiterplatte zu erreichen. Ich meine Dinge wie das Hinzufügen von Kondensatoren über Widerständen als Kompensatoren (falls erforderlich), um ein Klingeln am Ausgang zu verhindern, möglicherweise eine Rauschüberlegung oder einige zusätzliche passive Komponenten für andere Zwecke.

Ich verstehe auch, dass die Verwendung von 5 Widerständen ideal wäre, aber ich bin mit einer kleinen Verringerung der Auflösung um 200 k Widerstand einverstanden (eine Änderung von 1 k führt zu einer Änderung von 7 mV, was immer noch leicht messbar ist). Also habe ich 4 Widerstände gewählt.

Bearbeiten: Nachdem ich eine parasitäre Kapazität des Schalters hinzugefügt hatte (jeweils 5 pF für Source und Drain), bekam ich in meiner Simulation für Impulse eine Oszillation, wenn der Widerstand mit der niedrigsten Verstärkung angeschlossen war (beim Messen höherer RUT-Werte). Ich weiß, dass ich diesen Messwert nicht verwenden werde (ich würde Messwerte von Widerständen mit höherer Verstärkung für hohe RUT-Werte verwenden), aber wenn mein Operationsverstärker nicht stabil ist, kann dies dazu führen, dass mein gesamtes System instabil wird. Ich habe das Problem irgendwie behoben, indem ich verschiedene Jahrzehnte paralleler Kondensatoren über alle Rückkopplungs-(Verstärkungs-)Widerstände wie hier gezeigt hinzugefügt habe (das Bild zeigt auch die parasitäre Schalterkapazität). Die Werte wurden durch Versuch und Irrtum ausgewählt. Danach trat die Oszillation nicht auf. Ist dies der richtige Weg? Würde das funktionieren? Könnte jemand erklären, was hier passiert? Wie kann ich es verbessern?