Welche Schaltung ist besser? (Frage zum Operationsverstärker)

Diese Schaltungen dienen der Sub-pA- Stromerkennung. Jede Schaltung hat jedoch die gleiche Verstärkung; Sollte der mehrstufige Verstärker nicht theoretisch schneller sein als die einstufige Verstärkung? TINA TI-Simulationen sagen, dass sie identisch sind, aber ich möchte wissen, was ihr denkt. Was sind jeweils die Vor-/Nachteile? Danke im Voraus für die Hilfe!

Einstufig

Mehrstufig

Entschuldigung, ist das in diesem ersten Schema ein 1-TΩ- Widerstand? Das ist beeindruckend. Und wahrscheinlich anfällig für viel, viel Johnson-Nyquist-Rauschen.
@felthry Jawohl! Dieser große Wert ist absurd, aber die Frage, die ich habe, bleibt bestehen! :)
Ich würde sagen, der zweite ist allein deswegen besser. Solche hochwertigen Widerstände injizieren viel JN-Rauschen in Ihren Schaltkreis, und bei diesem Widerstand hat die Lötmaske auf Ihrer Leiterplatte ungefähr die gleiche Widerstandsgröße und Ihr Schaltkreis wird unglaublich empfindlich gegenüber Staub und insbesondere Dingen wie Ölen Ihre Haut, wenn Sie sie berühren.
Was ist die Open-Loop-Verstärkung dieses Operationsverstärkers mit der 1 T Ω Rückkopplungswiderstand?
@AlfredCentauri Die Open-Loop-Verstärkung beträgt 120 dB. Felthry , die derzeitige professionelle Technik besteht darin, den Lötstopplack von dem Bereich zu entfernen, in dem die hohe Verstärkung auftritt. Die Operationsverstärker haben Schutzringe, um auch das Rauschen zu reduzieren. Ich habe die erste Schaltung schon einmal getestet; es funktioniert, aber das Zeitverhalten beträgt 10s. Ich möchte das Zeitverhalten verringern, indem ich eine mehrstufige Operationsverstärkerverstärkung verwende. Wenn ich euch etwas zum Referenzieren geben kann, ist das Evaluierungsboard LMP7721 ein großartiges Beispiel.
@felthry ^^ Ich konnte nicht 2 Personen in 1 Beitrag markieren, aber die Nachricht über^^
Oh, ich verstehe, dass es Verfahren gibt, um so hochohmige Dinge zu verwenden, aber wenn Sie vermeiden können, eine so empfindliche Komponente zu haben, würde ich es empfehlen.
Okay, also geh zu Schaltung Nummer 2 und schau, wie sich die Dinge entwickeln?
Dies scheint weder eine gefährliche noch eine teure Schaltung zu sein, also ist es wahrscheinlich das Beste, sie zu bauen und es herauszufinden!
Wie implementiert Keithley seine Strommessmaschinen?
Wenn die Zeitkonstante zu lang ist, verringern Sie die Feedback-Kappe.
Keithley verwendet integrierende ADCs , um eine Auflösung zu erreichen
@AlfredCentauri Ich würde gerne einen öffnen, aber ich möchte die Garantie nicht aufheben :/
@felthry leider ist es eine ziemlich teure Schaltung - mit der Bewachung und den Komponenten. Das Evaluierungsboard LMP7721 verwendet Goldspuren
@robert Endl Leider ist die Schaltung empfindlich, wenn Sie die Rückkopplungskappe senken, aber das Rauschen nimmt stark zu
@laptop2d Ich denke, ich werde in Zukunft eine dieser Schaltungen bauen, ich möchte nur diesen Weg zuerst ausprobieren! Testen Sie es mit einem Sourcemeter
Nun, die LMP7721 selbst sind nicht besonders teuer. Mouser bietet sie für jeweils 4,72 $ in einmaliger Menge an. Es ist nicht der billigste Operationsverstärker auf dem Markt, aber Sie würden sich keine allzu großen Sorgen darüber machen, ihn zu beschädigen. Aber – Sie wissen wahrscheinlich mehr darüber als ich! Ich beschäftige mich nicht sehr viel mit so extrem hochpräzisen Sachen.
Danke für all die Hilfe @felthry , Ihre Eingaben werden geschätzt!

Antworten (2)

Ohne die Opamp-Typen zu kennen, ist die zweite Schaltung schneller, da die RC-Zeitkonstante in den Rückkopplungskomponenten der ersten Stufe massiv geringer ist. Wenn die zweite Schaltung einen 10-nF-Rückkopplungskondensator hätte, wären sie identisch schnell (wieder unter der Annahme perfekter Operationsverstärker).

TINA TI-Simulationen sagen, dass sie identisch sind

Dann stellen Sie hier entweder die falschen Schaltungen bereit oder Sie machen in TINA etwas falsch.

In Bezug auf das Rauschen wäre die erste Schaltung theoretisch besser, da das thermische Rauschen des Widerstands nicht proportional zum Widerstand, sondern zur Quadratwurzel ist. Möglicherweise stellen Sie jedoch fest, dass bei einigen Operationsverstärkern die Aufteilung der Verstärkung auf zwei Stufen insgesamt zu einem geringeren Rauschen führen kann, da die Rauschverstärkung des Operationsverstärkers berücksichtigt werden muss. Ein weiteres wichtiges Thema.

Ich würde empfehlen, analoge Geräte zu besuchen und ihr Tool für Fotodiodenverstärker zu verwenden . Auch wenn es sich bei Ihrem Design nicht um eine Fotodiodenanwendung handelt, ist das Tool dennoch sehr nützlich.

Sie können es einstufig oder zweistufig machen und Melodien mit den Werten spielen, um die Leistung zu optimieren. Sie können eine große Anzahl von Opamps auswählen, arbeiten Sie also mit dieser Website und verfeinern Sie das Design, und versuchen Sie dann, die von ihnen empfohlenen Opamps auszuwählen, oder finden Sie Alternativen. Ich glaube nicht, dass Sie enttäuscht sein werden.

Ich vermute, sein Hinweis auf TINA befasst sich nur mit der DC-Leistung.
@Andy aka Zur weiteren Spezifizierung identisch in Bezug auf die DC-Übertragungscharakteristik. Der Opamp, den ich verwende, ist der LMP7721. Mein Hauptanliegen ist das Zeitverhalten. Das Reduzieren des 1T-Ohm-Widerstands wird die Zeitreaktion drastisch verkürzen, aber ich bin neugierig, warum ich nicht gesehen habe, dass andere mehrstufige Operationsverstärker bei der Femtostromerkennung verwenden - weshalb ich im Forum gepostet habe. Meine Anwendung ist nicht für Fotodioden, aber ich werde ihr Tool auschecken. Ich schätze jede Hilfe, danke!
Ja, das Tool ist gut und es kommt ein Punkt, an dem die Kompromisse mit Rauschen, Rauschverstärkung und Vorspannungsströmen, die unerwünschte Offsets erzeugen, einen kaskadierten Operationsverstärker besser machen.

Dies funktioniert in der Simulation, es wird schwierig sein, dieses Modell in der physischen Welt zu realisieren. Sie benötigen einen Operationsverstärker mit einem niedrigeren Eingangsvorspannungsstrom als der Widerstand. Der große Widerstand fügt Jhonson-Nyquist-Rauschen hinzu , berechnet dies für einen Operationsverstärker mit geschlossenem Regelkreis und stellt sicher, dass das Rauschen mit den verschiedenen Widerstandskombinationen akzeptabel ist.

Ein weiteres erwähnenswertes Problem, das Sie bereits kennen, ist das Problem, dass andere Materialien (wie FR4 einer Leiterplatte mit einem Oberflächenwiderstand von 1e7Ω) Strom in den Pin des Operationsverstärkers leiten. Also entweder das Teil tot verwanzen oder Schutzspuren verwenden (oder Sie könnten ein anderes PCB-Material mit einem höheren Oberflächenwiderstand verwenden).

Sollte der mehrstufige Verstärker nicht theoretisch schneller sein als die einstufige Verstärkung?

In diesem Fall ja. Die hohe Verstärkung kann Bandbreitenprobleme verursachen. Zeichnen Sie es auf. Zeichnen Sie eine horizontale Linie für die Open-Loop-Verstärkung des Verstärkers und dann eine geneigte Linie mit 20-dB-Rolloff am Bandbreitenpunkt der Einheitsverstärkung. Dies ist die Gesamtverstärkung und Bandbreite Ihres Verstärkers. Unten zeigen. Machen Sie jetzt dasselbe für die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises. Zeichnen Sie eine horizontale Linie für die Verstärkung des geschlossenen Regelkreises und eine 20-dB-Rolloff-Linie, aber diese müssen Sie an der Grenzfrequenz des Tiefpassfilterpunkts (RC-Grenzwert) zeichnen. Wenn die Linie mit geschlossener Schleife nicht in die Linie mit offener Schleife passt, funktioniert das Design nicht wie beabsichtigt.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

TINA TI-Simulationen sagen, dass sie identisch sind, aber ich möchte wissen, was ihr denkt. Was sind jeweils die Vor-/Nachteile?

Die erste Schaltung hat einen größeren Widerstand, größere Widerstände haben größere Toleranzen, was bedeutet, wenn Sie versuchen, Ihre Filterabschaltung zu steuern, ist dies eine größere unbekannte Toleranz.

Da Sie sich nicht für Operationsverstärker entschieden haben, kann ich nicht wirklich sagen, wie das Rauschen sein wird. Die zweite Schaltung hat weniger Rauschen vom Widerstand, aber zusätzliches Rauschen von einem zweiten Verstärker.

Die berechneten Werte bei einer 1-Hz-Abschaltung mit einem 25-C-
1-TΩ-Widerstand – 128,286 uV-eff
. 10-GΩ-Widerstand – 12,8286 uV-eff

Der 1T-Widerstand hat eine Verstärkung von 10 ^ 10

Der 10G-Widerstand hat eine Verstärkung von 10e8 und der Sekundärwiderstand eine Verstärkung von 100 für eine Gesamtverstärkung von 10 ^ 10, aber jetzt haben Sie das zusätzliche Rauschen des Operationsverstärkers der zweiten Stufe, das berücksichtigt werden muss Der erste wird auch mit einer Verstärkung von 100 multipliziert. Sie müssen sich auch um Spannungsoffsets von Sekunden kümmern.

Wenn Sie denselben Operationsverstärker verwenden, funktioniert es meiner Erfahrung nach immer besser, die gesamte Verstärkung in der ersten Stufe zu erzielen. Wenn Sie jedoch zwei verschiedene Operationsverstärker verwenden, ist es möglicherweise besser, eine zweite Stufe zu haben.

Ich möchte, dass die Dinge mit zwei LMP7721-Operationsverstärkern funktionieren, da es sich um einen extrem rauscharmen Operationsverstärker handelt. Und genau darum habe ich mir Sorgen gemacht - das Geräusch, das durch die kaskadierte Stufe verursacht wird. Was denkst du über meine Opamp-Auswahl? Ich habe die erste Schaltung schon einmal gebaut und die Zeitreaktion ist langsam (10 Sekunden), daher denke ich, dass die Mehrstufe die beste Wahl ist, um die Reaktionszeit zu verkürzen.
Der LMP7721 hat viel 1/f-Rauschen, tatsächlich könnten Sie Probleme mit so viel Verstärkung haben. Nehmen wir an, das Rauschen beträgt 0,1 nV / Hz ^ 0,5 (flach, was eine konservative Schätzung ist) und Sie haben eine Bandbreite von 10 Hz (von 0,01 bis 0,1 Hz, ebenfalls konservativ), das ist 1/3 uV-Effektivwert, multiplizieren Sie das jetzt mit einer Verstärkung von 10 ^ 10, das sind 3,16 V-eff. Rauschen. Ich sage nicht, dass Sie das bekommen, aber es ist etwas, worüber Sie sich Sorgen machen müssen. Ich würde auf der zweiten Stufe einen Rail-to-Rail-Chopper mit geringem Rauschen verwenden, ich würde auf jeden Fall versuchen, die Verstärkung auf der ersten Stufe zu verringern.
hmm, der LMP7721 kann definitiv einen 10-Mohm-Widerstand in der ersten Stufe aufnehmen (ich habe ihn auf dem LMP7721-Evaluierungsboard verwendet), aber; Ich brauche 1E12 Gesamtgewinn. Sollte ich die Verstärkung auf Stufe eins auf 10E6 und auf Stufe zwei auf 1E5 verringern? Der Rail-to-Rail-Operationsverstärker, den ich derzeit besitze, ist ein OPA350 mit einem GBP von 38 MHz und einem Rauschen von 5 nV/Hz^0,5 – aber ich suche immer noch nach besseren Lösungen! Ich denke, Ihr Beitrag passt sicherlich besser zu meinem Anliegen als die anderen!
Der OPA350 hat keine Informationen über den Bereich von 0,1 bis 10 Hz, in dem sich das meiste Rauschen in einem Operationsverstärker befindet (und Ihre Signalbandbreite). Es bedeutet auch, dass es wahrscheinlich nicht für Niederfrequenzanwendungen gedacht ist. Die 5nv/Hz^0.5-Spezifikation gilt nur für 100 Hz und höher.
ah ja, das stimmt. Es sieht so aus, als hätte ich ein paar clevere Einkäufe zu erledigen! Danke für all die Hilfe! Ich berichte nächste Woche, wie es weitergeht!
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