Messen von niedrigem Strom bei sehr hoher Geschwindigkeit

Sie müssen also den Versorgungsstrom bei 10 ksamp/s von 100 µA bis 30 mA messen, was einem Bereich von 300:1 entspricht.

Das allein klingt machbar genug. Sogar ein 10-Bit-A/D, der in einen Mikrocontroller eingebaut ist, hat eine ausreichende Auflösung, wenn das Signal richtig verstärkt wird. 10 kHz Samplerate sind auch durchaus machbar. Tatsächlich möchte ich schneller abtasten und ein wenig Tiefpassfilterung und Dezimierung im Mikro vornehmen. Eine Abtastrate von 100 kHz bringt es nicht einmal auf etwas wie einen PIC 24H. Bei 40 MIPS würden das 400 Anweisungen/Probe bleiben. Das ist viel mehr als für ein wenig Tiefpassfilterung und Hintergrund-Buchhaltung benötigt wird, also sieht das auch gut aus.

Die eigentliche Frage ist, wie sieht die Stromzufuhr aus und inwieweit kann man sie knacken? Werden die zu testenden Einheiten mit LDOs betrieben? Dies wäre nützlich, da ein kleiner Strommesswiderstand vor dem LDO die zu prüfende Versorgungsspannung des Geräts überhaupt nicht beeinflussen würde. Sie müssten den LDO-Strom abziehen, aber das ist machbar. Indem Sie den Stromsensor vor den LDO setzen, können Sie es sich leisten, dass er etwas mehr Spannung absenkt, da der LDO sicherstellt, dass der UUT immer noch dieselbe Versorgungsspannung sieht. Dies setzt natürlich voraus, dass genügend Headroom für die Eingangsspannung vorhanden ist.

Wenn Sie die Stromrichtung direkt mit dem Prüfling in Einklang bringen müssen, müssen Sie den Spannungsabfall im Vergleich zur Empfindlichkeit und damit letztendlich das Signal-Rausch-Verhältnis sorgfältig abwägen. Vielleicht ist 1Ω sinnvoll. Das würde nur maximal 30 mV abfallen, was die meisten Geräte überhaupt nicht beeinflussen würde. Sie benötigen einen Differenzverstärker und eine Gesamtverstärkung von 100, damit 0-30 mA 0-3,0 V ergeben, was genau das richtige Ziel für einen Prozessor ist, der mit 3,3 V läuft. Verschiedene Leute stellen solche Diff-Amps oder speziell High-Side-Current-Sense-Amps her. Wenn dies einmalig ist, würde ich mit Analog Devices beginnen. Ein 10x Diff-Amp mit 1 MHz Gain-Bandbreite sollte nicht schwer zu finden sein. Dem müsste ein gewöhnlicher 10x-Verstärker vor dem Mikro folgen, wobei wiederum eine Verstärkungsbandbreite von 1 MHz ausreichend ist. Sie könnten versuchen, das Ganze mit einem einzigen 100x-Diff-Amp zu machen, aber das Produkt aus Verstärkung und Bandbreite sollte mindestens 10 MHz betragen, sodass die Auswahl eingeschränkter ist.

Hier ist eine Schaltung, die ich in einer Testvorrichtung verwendet habe, um Strom zu messen.

Der Strom kommt bei V3 herein und geht zum Ziel bei VTG.

Der Messwiderstand beträgt einen Ohm, wodurch nicht viel Spannung abfällt, aber der Transwiderstand der Schaltung beträgt 100 Ohm. (R1*R24/R23)

Es ist wichtig, einen guten Autozeroing-Operationsverstärker für U4 zu verwenden, da jede Offset-Spannung große Fehler im Ausgang verursachen wird. Bei einem guten Operationsverstärker sind Fehler hauptsächlich die Widerstandsanpassung und das Alpha von Q1. Ich habe einen OPA2333 verwendet.

R23, Q1 und U4a könnten wahrscheinlich durch einen ZXCT1009 ersetzt werden .

Die Schaltung hat zwei Ausgänge: VCR ist das ungefilterte Stromsignal. Da die meisten Low-Power-Systeme ihre niedrigen Ströme durch zyklisches Schalten von Ausgängen mit höherem Strom erreichen, erhalten Sie durch die Überwachung des Videorecorders auf einem Oszilloskop eine gute Momentaufnahme des Zustands und des Betriebs des Systems. Und es ist einfach, es visuell unter den Stromspitzen zu integrieren, um sich einen schnellen Überblick über das Leistungsbudget zu verschaffen. Hier ist ein Beispiel für ein System mit einem 2,4-GHz-Funkmodul (ich habe die verschiedenen stromverbrauchenden Teile des Systems notiert):

Aufgrund des Tastverhältnisses ist es schwierig, mit einem DMM, das mehrmals pro Sekunde abtastet, einen guten durchschnittlichen Strommesswert zu erhalten. Der VC-Ausgang bietet eine tiefpassgefilterte Ansicht des aktuellen Signals. (Der Kondensator zeigt ein +-Symbol, aber verwenden Sie keinen Elektrolyt mit seinem hohen Leckstrom.)

Dies ist keine kostengünstige Lösung, aber es könnte tatsächlich das tun, wonach Sie fragen.

Ziehen Sie ein High-End-Tischmultimeter wie das 34410A oder 34411A von Agilent in Betracht . Keithley und andere Anbieter haben wahrscheinlich vergleichbare Modelle zur Verfügung. Das Messgerät von Agilent kann 10.000 Abtastungen pro Sekunde (50.000/s für 34411A) bei einer Auflösung von 5 1/2 Stellen messen und verfügt über einen externen Trigger, mit dem Sie Messungen zwischen 4 Metern synchronisieren können. Messwerte können im internen Speicher protokolliert oder über USB, GPIB oder LAN auf Ihren PC gestreamt werden.

Der Nachteil ist ein Listenpreis von 1300 $ pro Kanal.

Nur zur Information, wir haben festgestellt, dass dieser DC-Leistungsanalysator mit dieser Versorgungsmesseinheit (SMU) die beste Lösung für unseren Zweck ist. Es ist ein seeeehr schönes Spielzeug, auch wenn wir nur zwei dieser Module haben. Es verfügt über eine Vielzahl von Funktionen, wie z. B. eine Auto-Ranging-Funktion, mit der automatisch bis zu 3 A und bis zu etwa 10 nA gemessen werden können. Es kann bis zu 5 us/Probe und bis zu 999 Stunden protokollieren. Ah, es hat auch einen USB-Anschluss mit dedizierter PC-Schnittstelle.

Auf jeden Fall mehr als wir brauchen, abgesehen von der Anzahl der Kanäle, aber wir haben es geschafft, dass es genug ist :). Der Preis ist nicht der niedrigste, aber wir (natürlich in einem anderen Labor) hatten bereits einen, also ... wenn Sie es sich leisten können, lohnt es sich auf jeden Fall!