TL; DR
Một mạch được trình bày dựa trên cấu trúc liên kết điều chỉnh, ổn định trong bất kỳ tải điện dung nào, bao gồm một diode nối tiếp với dòng điện đầu ra. Điện áp được phát triển trên diode này trên danh nghĩa là nhật ký của dòng điện, cho phép đo được một phạm vi dòng rất rộng với một dải điện áp duy nhất. Độ ổn định động tuyệt vời đã được chứng minh trong mô phỏng.
Ở dòng điện thấp, mạch ồn và chậm (không có bất ngờ lớn). Các kết quả hiện tại cho thấy khoảng +/- 5% rms tiếng ồn ở dòng điện thấp, cho thời gian lắng 10uS đối với dòng điện 1uA trở lên, tăng lên 1 giây thời gian lắng xuống dòng điện xuống 1nA.
/ TL; DR
Tôi nghi ngờ bạn không cần độ chính xác cao. Bạn chỉ nghĩ rằng bạn làm vì phạm vi rất lớn từ nA đến 500mA. Rõ ràng +/- 1nA ở 500mA sẽ yêu cầu độ chính xác collossal. Tôi nghi ngờ rằng +/- 10% ở 500mA đồng thời với +/- 10% ở một vài nA và một phạm vi duy nhất để bao quát cả hai mà không cần chuyển đổi sẽ hữu ích.
Ý nghĩ ban đầu, mà tôi đã ném xuống như một gợi ý ban đầu, được hiển thị ở dưới cùng của bài viết để tham khảo.
Thật không may, nó có một lỗ hổng chết người. Mặc dù nó có thể chỉ ra 1nA đủ tốt, khi dòng điện tăng đột ngột, đầu ra opamp ban đầu không di chuyển, do cả bù nội bộ và C1. Kết quả là, điện áp đầu ra giảm hơn 1v (cần thiết để có dòng điện chạy qua Q1 và D1) trong một lúc, điều này sẽ gây bối rối nghiêm trọng cho bất kỳ MCU nào được cung cấp bởi dòng đó.
"Giải pháp" là kết hợp điện dung tách đường ray MCU vào phân tích. Tuy nhiên, thêm C trên dòng MCU gây ra sự không ổn định, vì nó không ổn định với đầu vào đảo ngược opamp, và thực tế không thể bù đắp trong phạm vi rộng mà chúng ta muốn.
Vì vậy, suy nghĩ tiếp theo là 'đây về cơ bản là một bộ khuếch đại transimpedance, mặc dù với một điện trở phản hồi rất phi tuyến tính, làm thế nào chúng ổn định?' Một tìm kiếm nhanh đã đưa tôi đến bài viết của Bob Pease (Nat Semi's RAP, Bob Pease - phải đọc cho bất kỳ nhà thiết kế tương tự nào. Nếu bạn không có gì khác từ câu trả lời này, hãy tìm hiểu và đọc một số nội dung của anh ấy!)
Rõ ràng là điện dung giả định trên nút đảo ngược op-amp, mặc dù lớn so với pF, rất nhỏ so với 10uF mà chúng ta có thể tìm thấy trên một đường VCC, và điều chỉnh tốc độ cao giả định một điện trở phản hồi không đổi, vì vậy cấu trúc liên kết này là không bắt đầu.
Vì vậy, sau đó tôi nghĩ, nếu chúng ta sẽ không làm mờ MCU khi hiện tại thay đổi, nó phải hoạt động như một bộ điều chỉnh. Tôi nhớ lại các vấn đề về tụ điện so với đầu ra gốm của LDO. Các kiến trúc dựa trên ESR nửa ohm của một tantalum để ổn định không ổn định với gốm. Khi cấu trúc liên kết được thay đổi để dung nạp ESR bằng 0 của gốm, chúng có thể chịu được mọi giá trị lớn trên mức tối thiểu đã chỉ định.
Để đối phó với một tụ điện đầu ra lớn, nó được thiết kế để trở thành cực chi phối, với một nguồn dòng đầu ra biến nó thành một bộ tích hợp, giữ cho phần còn lại của chuỗi điều khiển có độ dịch pha dưới 45 độ. Một khi cú lật đó đã được thực hiện, tụ điện đầu ra có thể có kích thước lớn hơn và LDO sẽ vẫn ổn định. Các tụ điện đầu ra của bộ điều chỉnh cung cấp tất cả các điện áp giữ trong một sự kiện thay đổi hiện tại.
Bây giờ tôi đã tìm kiếm các ghi chú ứng dụng LDO. Đây là thiết kế mới như là kết quả. Nó tương tự như bản gốc trong khái niệm DC, nhưng được chế tạo quanh tụ điện đầu ra và sử dụng các thủ thuật được sử dụng bởi các LDO được thiết kế cho gốm sứ, để có đủ độ ổn định.
Phân tích
Q2 là thiết bị PNP vượt qua hàng loạt, được cấu hình với R2 là đầu ra hiện tại. Loại cụ thể đó là 1 phần, 200 hfe 150, 50v, 400 MHz ft phần cấp nấu khá trong thư viện LTSpice. I1 sinh khối nó xuống 10mA danh nghĩa, để giảm delta V cần thiết khi đột ngột cần tăng dòng từ 0 và để cung cấp một dòng điện đáng kể để đối phó với việc giảm đột ngột sản lượng hiện tại.
D1 là người bạn cũ của chúng ta, phần tử phi tuyến tính mà qua đó dòng điện đầu ra phát triển điện áp log. Tôi đã sử dụng 1n4148 khi nó ở trong thư viện. Nó được nối bởi R1, để xác định đầu dưới của phạm vi hiện tại (10mV cho 1nA), D3 để bắt các điện áp ngược khi dòng điện giảm đột ngột và C2 vì nó cải thiện độ ổn định và vượt quá đầu ra. Lưu ý rằng nếu 1N4148 được thay thế bằng các loại 1n400x của cowier, điện dung cao hơn của chúng sẽ được hấp thụ hoàn toàn bởi C2, do đó, đủ mô hình để ổn định.
Tôi đã có thể mô hình hóa một TL071. Lần đầu tiên tôi đã thử một LTC1150 có GBW 1,5 MHz, nhưng đấu tranh để có được sự ổn định hợp lý. Sau đó tôi chuyển sang LT1022 hiển thị. Đây là một chút nhanh hơn ở 8 MHz GBW, nhưng có nhiều phần nhanh hơn nhiều xung quanh.
Mạng xung quanh nó bao gồm R3 để cảm nhận 0v, C3 về độ ổn định và R4 để thêm số 0 vào C3, như được đề xuất trong ghi chú ứng dụng LDO. Với những giá trị này, được đưa ra bởi Hope'n'poke, nó đã không tệ. Tôi chắc rằng nó có thể tốt hơn với một chút phân tích thích hợp. Thay vì sử dụng một bộ khuếch đại ổn định đạt được sự thống nhất nhanh hơn, tốt hơn là sử dụng một bộ khuếch đại mất bù.
Nó chắc chắn trông đủ ổn định cho mục đích. Bất cứ ai xây dựng mạch này để sử dụng trong sự tức giận có thể tìm thấy một số ký sinh trùng không được điều chế làm giảm sự ổn định, nhưng tôi sẽ đề nghị họ bắt đầu với một bộ khuếch đại nhanh hơn để cung cấp cho mình một số phòng khuỷu tay.
I2 cung cấp tải hiện tại phụ thuộc thời gian cho bản demo. Như bạn có thể thấy từ chuỗi tham số, nó chuyển từ 100pA đến 100mA với thời gian hoàn thành 100nS (vì vậy thay đổi dòng điện trong một chu kỳ 10 MHz) và quay lại. Diode D2 cung cấp một cách thuận tiện cho mô phỏng hiển thị dòng nhật ký và không phải là một phần của mạch đích.
Khi thực hiện mô phỏng, tôi thích có tất cả các 'hành động' xung quanh 0v, vì vậy đối với các đường ray -5, 0v và + 5v được hiển thị ở đây, hãy đọc lần lượt 0v, + 5v và + 10v cho ứng dụng của OP.
Đây là cốt truyện thoáng qua tổng thể
Giá trị DC ban đầu của điện áp đầu ra là 0,5mV cho 100pA và khi tôi đi từ 1nA, khoảng 5mV, vì vậy chúng tôi có sự phân biệt rõ ràng ở mức và dưới mức 1nA.
Có một sự vượt quá nhỏ của giá trị đo khi dòng điện tăng.
Các xoay chạm các giới hạn diode khi dòng điện giảm. Ngoài ra còn có đuôi đọc 20mS khi chuyển từ 100mA xuống 100pA, tôi không biết làm thế nào để cải thiện điều đó, có lẽ ai đó có một gợi ý. Đuôi vẫn có mặt khi chuyển xuống 10nA, nhưng khi chuyển xuống 100nA trở lên, đuôi không có. Đối với ứng dụng này, tôi sẽ tưởng tượng rằng đó là OK.
Trong ba lô tiếp theo, chúng tôi xem xét tất cả sự ổn định điện áp đường sắt đầu ra quan trọng.
Khi tăng từ 100pA lên 100mA
Đường ray đi lên thoáng qua chỉ 12mV, và nhịp chết. Bạn sẽ không tìm thấy nhiều LDO thương mại mang lại hiệu suất như vậy cho một thay đổi hiện tại dữ dội như vậy.
và trên đường trở lại xuống 100pA
Nếu không có D3 để cung cấp dẫn truyền ngược, Vmeas sẽ chuyển sang đường ray -ve trong một thời gian thay vì -0,6v.
Đường ray đi xuống cũng bị giới hạn ở mức 12mV. Bạn có thể thấy tốc độ giới hạn xuống dưới là kết quả của dòng chìm I1.
Tôi sẽ không nói đó là một bằng chứng về nguyên tắc, nhưng tôi nghĩ đó là một bằng chứng rất tốt về tính hợp lý. Mô phỏng bao gồm rất nhiều ký sinh trùng, Q2 Miller C, sự bù trừ của opamp và với hiệu suất cạnh tranh với LDO, tôi nghĩ rằng đó là một cơ sở khá tốt để bắt đầu phát triển thứ gì đó có thể cung cấp năng lượng cho MCU, ở các dòng điện khác nhau, đọc qua một dòng lớn phạm vi.
Điều này cho thấy Vmeas là đầu ra. Như đã chỉ ra trong bài viết gốc, độ chính xác nhiệt sẽ được cải thiện nếu được đo tương ứng với một diode khác ở cùng nhiệt độ. Vmeas là một đầu ra trở kháng thấp, vì vậy điều này rất đơn giản để thực hiện với một bộ khuếch đại vi sai đơn giản.
Như trước đây, việc thay thế R1 bằng một điện trở có giá trị thấp hơn sẽ cho đầu ra phạm vi tuyến tính chính xác hơn, cho các điện áp mà D1 không dẫn điện.
Vấn đề tiếng ồn
Bây giờ một mạch ổn định đã được phát triển, chúng ta có thể bắt đầu xem xét tiếng ồn. Biểu đồ sau đây cho thấy mức tăng từ đầu vào op-amp, với tụ điện 1nF được trang bị tại C2. Các đường cong bao phủ 100pA đến 100mA. Các đường cong 100pA và 1nA không thể phân biệt ở màu xanh sáng và rất gần với đường cong 10nA màu đỏ. 1uA có màu hồng, 1mA có màu xanh đậm, đường cong 100mA thấp nhất là màu tím.
Sử dụng mô phỏng .noise của LTSpice và sử dụng .measure để tích hợp nhiễu đầu ra trên băng thông từ 10mHz đến 10 MHz, sử dụng tụ 33nF cho C2, dẫn đến nhiễu 2mV rms tương đối ổn định cho dòng điện 1nA đến 100uA, với độ nhiễu giảm khi dòng điện tăng đến khoảng 100uV rms ở 100mA.
Hình phạt của giá trị tăng của C3 là tăng thời gian giải quyết sau khi giảm một bước trong hiện tại. Thời gian trong vòng 1mV của giá trị cuối cùng là khoảng 10mS đến 1uA, 60mS đến 100nA, 500mS đến 10nA và 900mS đến 1nA.
Op amp hiện tại, LT1022, yêu cầu vài giây nV ở tần số 1kHz. Bài báo về bộ khuếch đại transimpedance của Bob Pease đã đề cập trước đó cho thấy rằng 3nV là khả thi với đầu vào FET hiện tại thấp, sử dụng các FET có độ ồn thấp rời rạc làm mặt trước cho bộ khuếch đại tổng hợp. Sử dụng một opamp được cải thiện như vậy sẽ làm giảm mức độ tiếng ồn theo một mức độ lớn.
Đây là gợi ý ban đầu, để tham khảo.
mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab
Opamp sẽ điều khiển dòng điện qua Q1 và D1 để duy trì điện áp đầu ra ở mức 5v, vì vậy MCU của bạn luôn nhìn thấy điện áp hoạt động chính xác của nó.
Điện áp bạn đo giữa hai điốt tỷ lệ thuận với nhật ký tỷ lệ của dòng điện D1 với dòng điện D2. Mặc dù bạn có thể làm việc với điện áp trên D1 một mình, nó phụ thuộc vào nhiệt độ. Phương pháp này sử dụng D2 để bù lại sự phụ thuộc đó.