kleine spanning meten, parameters opamp?

Fred101 weet hier alles van vermoed ik.
In de tussentijd een gok: de ruis kun je filteren, al duurt de meting dan langer; en de offset moet je misschien met kortgesloten ingang wegregelen.
Al is 0,1 uV wel ontzetten weinig natuurlijk; twee centen van verschillende oorsprong op elkaar zouden wel eens meer kunnen leveren.

als je maar een goede referentie hebt

Jou verwarring komt door het woord "resolutie". Dit is een analoge schakeling, en deze kennen geen resolutie.

Het gevoeligste bereik is 1 μA. De shuntweerstand is 10 kΩ volgens het schema. Daarover valt dan 10 mV bij maximum stroom. Dit is een factor 100000 hoger dan de inputoffsetspanning van 0.1 μV en een factor 5000 beter dan de maximum offsetspanning van 2 μV

@Freddy
Bij de maximale stroom zie ik ook geen problemen. Maar de stelling is dat er met een Er wordt beweerd dat met een 4.5 digit meter een stroom van 10 pA gemeten kan worden. Zo kom ik op die 0,1 µV. Dat is een factor 20 slechter dan de maximale offset spanning.

@FET
Zou die offset grotendeels constant zijn? Dan kan je 'm makkelijker wegregelen natuurlijk. Maar... de µcurrent heeft geen optie hiervoor.

@Freddy
Analoog is inderdaad niet in stapjes. Maar wiki zegt dit:
"The resolution of a sensor is the smallest change it can detect in the quantity that it is measuring"

Dan heeft analoog toch wel een resolutie? Want het kan geen oneindig kleine dingen meten.

Hi necessaryevil,

Dat valt inderdaad niet mee om de specs van de componenten te vertalen naar de onnauwkeurigheid op je schakeling dit kost veel tijd.

Zelf doe ik veel met de modellen van de fabrikant dus eerst rekenen als ik het op papier niet werkend krijg dan lukt het in de praktijk zeker niet door alle parasiteren componenten.

Het ideale component bestaat niet dus zal je vaak een systeem moeten ontwerpen hier bedoel ik mee de ongewenste zaken weg regelen b.v. kan je om een offset weg te regelen een clamp pulse gebruiken als de puls buiten je overdracht bandbreedte valt geen probleem zeg een dc spanning kan je makkelijk om de 20KHz naar een referentie laten kijken.

In het geval van je ingang kan je de ingang los nemen en de rest spanning aan de uitgang meten.

Beide systemen kunnen al in de opmp verwerkt zijn.

Long term is alleen van belang als je inderdaad over een lange periode gaat meten maar in analogie met hier boven als je om de X tijd de fout weer weg regelt is dat ook weer opgelost.

Gr Henk

In de specs staat "Resolution (nA range): 100pA (3.5digit meter), 10pA (4.5 digit meter)".
Dit klopt dan ook. 4.5 digits naar boven afgerond = 5 digits en telt 100000 counts. 1 μA / 100000 = 10 pA.

Verwar resolutie niet met nauwkeurigheid, dit zijn twee totaal verschillende begrippen. De resolutie zegt namelijk niks over de nauwkeurigheid van de meting. Je kunt namelijk eenvoudig extra cijfertjes aan een display toevoegen om de resolutie te verhogen, maar de nauwkeurigheid blijft hetzelfde. De resolutie staat dan ook los van de offset en conversiefactor (versterking).

In jou wiki quote staat "smallest change". Mijn vraag is dan: Wat is de kleinste verandering dan? Die kleinste veranderingen verzuipen altijd in de ruis. Ik wil in zoverre meegaan dat lading resolutie heeft in de vorm van een enkele elektron. En dat een stroommeting een resolute kan hebben van een enkele elektron per seconde. Maar je kunt dan de resolutie verhogen door de meettijd te verhogen. Maar dit wordt een beetje onzinnig.

De ingangsoffsetspanning van een opamp is oa. temperatuur afhankelijk. De drift bij de MAX4239 is 10 nV/°C typical. En de offsetspanning veranderd ook in de tijd: typical 50 nV/1000 uur

Bij een ideale opamp worden de eigenschappen van de schakeling bepaald door de externe componenten. Helaas bestaan ideale opamps niet en moet je dus rekenschap houden met de "eigenaardigheden" van deze veelzijdige bouwstenen.

Echte opamps hebben:

- uitgangsimpedantie
- beperkte bandbreedte
- beperkte versterking
- hebben geen oneindige ingangsimpedantie
- als gevolg van verschillen in de ingang een beperkte common mode onderdrukking en offset spanningen en stromen
- alle parameters driften m.b.t. temperatuur, voedingsspanning en uitsturing
- exemplarische afwijkingen waardoor nooit twee opamps exact hetzelfde zijn

En ik zal er vast een paar vergeten zijn
In schakelingen die een grote nauwkeurigheid vereisen maakt men vaak gebruik van technieken om deze invloeden te minimaliseren. Eén van de bekendste zijn zogenaamde auto zero versterkers om offset te compenseren. Een andere methode om b.v. gain minder afhankelijk te maken van temperatuursdrift is het gebruik van resisitieve delers die elkaar kwa temperatuursdrift tracken.
Aangezien het back end van moderne data aquisitie systemen uit een stuk digitale signaalbewerking bestaat kan ook in dit domein nog een hoop gesleuteld worden om de data verder op te werken naar een representatiever resultaat. Zo kan de data b.v. omgerekend worden voor bekende fouten in analoge schakeling en AD omzetter of gefilterd worden om een beter gemiddelde te krijgen.

In jou wiki quote staat "smallest change". Mijn vraag is dan: Wat is de kleinste verandering dan? Die kleinste veranderingen verzuipen altijd in de ruis.

Oke, dit maakt het duidelijk! Dankje!

De ingangsoffsetspanning van een opamp is oa. temperatuur afhankelijk. De drift bij de MAX4239 is 10 nV/°C typical. En de offsetspanning veranderd ook in de tijd: typical 50 nV/1000 uur

Hmmm.. had het gezien! Dit komt overeen met minder dan een halve µV per jaar (ja ik geloof dat je dat zo niet uit mag rekenen maar even een ballpark estimate) en 1,25 µV over de range van 0 tot 50°

Verwar resolutie niet met nauwkeurigheid, dit zijn twee totaal verschillende begrippen.

En met accuratesse, want het verschil tussen nauwkeurigheid en acuratesse snappen zelfs de fabrikanten niet..

Lage spanningen zijn lastig goed te meten.
Er zijn wat zaken die helpen.
Zoveel mogelijk alles op dezelfde constante temperatuur krijgen.
Opletten met verbindingen. Sommige combinaties van materialen zijn ongunstig i.v.m. thermokoppelspanningen. Vermijd mechanische stress.

Drift is de belangrijkste parameter. Offsets zijn weg te regelen.

FET dat is iets te veel eer. Ik denk dat iedereen wel een paar favoriete opamps heeft. En voor hobby is het ook weer anders dan voor professioneel ontwerp. Bij dat laatste probeert men ook de kosten laag te houden. Dave had hier een veel betere opamp kunnen kiezen maar de vraag is dan of de extra performance en hogere consumenten prijs veroorzaakt door zo'n dure opamp dan zorgt voor veel meer omzet.

Daarnaast moeten dan ook de andere componenten beter worden. Helaas is de prijs/performance curve van die spullen verre van lineair.

Vaak gaat uitblinken in iets weer ten koste van iets anders. Aan de ontwerper om dit uit te vogelen. Sommige dingen kun je makkelijk compenseren en sommige niet. Een offset spanning is soms eenvoudig op te lossen met een DC injectie dmv een spanningdeler. Je ziet dat vaak op de ingang maar ik heb het ook wel eens gedaan op de uitgang.

Eigenlijk is alles verder al gezegd

Als je dit soort kleine spanningen wil meten en de prijs is geen probleem dan zijn er onderdelen genoeg te vinden. Mbt opamps zou je dan naar een chopper opamp kunnen kijken (als je DC wil versterken). Heel kort door de bocht maakt zo'n ding AC van je DC signaal, versterkt het en maakt er dan weer DC van. Voordeel van die dingen is dat ze zo goed als geen offset spanning hebben.

Het probleem bij stroom meten is het burden voltage, dat lost hij op door stroom in spanning om te zetten. Voor meten van bv voeding stroom geen probleem. Maar voor andere toepassingen kan dit wel problemen geven. De weerstand van een shunt kun je er heel precies uit rekenen, wat je uCurrent daar doet is veel lastiger te voorspellen. Deze geeft mogelijk weer fouten in de uitgang-spanning.

Een probleem bij spanning meten is de uitgang-weerstand van je schakeling. Die komt parallel te staan aan de ingangs weerstand van je meter. En dat kan weer behoorlijke fouten opleveren.
Met andere woorden, hoe je ook meet, je zult altijd iets beïnvloeden. Vaak verwaarloosbaar, soms niet. Het belangrijkste is dat je het weet.

Ik ben toevallig bezig de weerstand te meten van diverse hoge weerstanden (tot 5G) Als je dit zou doen door er een stroom door te jagen en dan de spanning er overheen zou meten heb je een probleem. Die 5G staat dan parallel aan de Rin van je multimeter, en reken maar eens het resultaat uit als dat bv 10M is Daar kun je ook een spanning bron gebruiken en dan stroom meten. Bij 5G is de shuntweerstand van je meter nagenoeg verwaarloosbaar en anders heel simpel te compenseren.

Daar hebben we fred!

De max4239 is trouwens al een chopper opamp. Ik bekeek de werking van zo'n ding nog niet op die manier zoals jij 'm uitlegt. Geinig!

Maar klopt het nou dat die choppers ook je offset temp drift en je long term drift wegwerken?

...Maar voor andere toepassingen kan dit wel problemen geven. De weerstand van een shunt kun je er heel precies uit rekenen, wat je uCurrent daar doet is veel lastiger te voorspellen.

Hmm.. ik snap het! Dan zet je natuurlijk nog een weerstand (die van de DUT) in serie met je µcurrent. Of je belast je schakeling meer, hoe je het bekijkt.

Er is trouwens een tweede versie van de µcurrent, de "µcurrent gold". Die gebruikt twee max4239 opamps, om zo minder ruis te krijgen.

Voor de geïnteresseerden, hieronder wat links. De eerste bevat de meeste info.
http://alternatezone.com/electronics/ucurrent/uCurrentArticle.pdf
http://www.eevblog.com/projects/ucurrentoriginal/
http://www.eevblog.com/projects/ucurrent/

Fred, klopt het trouwens dat ze voor jou toepassing een opamp gebruiken die een lage input bias stroom nodig heeft? En dan twee flinke weerstanden in serie met beide ingangen? Of heb ik dat verkeerd begrepen?

Ook spanning meten met een chopper heeft te maken met drift. De spaningsreferentie drift.

Een goede meter zoals de HP3458 moet altijd aanstaan bij o.a. een constante temperatuur en regelmatig laten calibreren.

Maar goed. Ik wil de uitgang van de opamp voeren aan een ADC. Een digitale microvoltmeter. Als referentie zit ik te denken aan een LT1021 of een LM399.

De opamps die ik overweeg zijn de max4238/max4239 en de LT1028/LT1128. Laatstgenoemde hebben ze in dit forum uitgezocht: http://www.edaboard.com/thread292642.html

//heeft er iemand al eens zoiets als dit geprobeerd?

@ necessaryevil,

Je schrijft bij de start

als 1 µV, zowel AC als DC. Het gaat niet om een veranderend signaal, maar gewoon om een spanningsmeting.

Ik snap niet goed wat je meten wil!! heb je konstand 1uV en wil je dit bewaken? en als het ac is welke frequentie wil je dan meten.

Bij het meten van lage spanningen of stromen geldt hoe minder er tussen het meet opject en je uitlezing zit hoe beter alles wat wij toevoegen geeft ruis en dat is in elke situatie ongewenst en de grens.

Voor de vervorming: harmonische vervorming of intermodulatie dan wel kruismodulatie kun je een versterker ontwerpen die meer vermogen leveren kan of je kan een balans of push-pull of push-push of feed forward maken maar voor de ruis kun je niets doen.
Ruis staat op je ingang onafhankelijk van de bron we noemen dit de thermische ruis deze is afhankelijk van de weerstand, bandbreedte en temperatuur dit zijn dus de enige parameters waar je mee kunt spelen.
Kijk in je ontwerp hoe een en ander invloed heeft op je signaal en staar je niet blind op een component van welk merk dan ook of het nu een versterker is of een spanning referntie.
Ik zie veel ontwerpen met allerlei opamps terwijl mischien een transistor trapje veel beter is indien mogelijk probeer altijd ac te koppelen je heb dan niets met offset te maken geen dc dus beperk je bandbreedte tot strikt noodzakelijk maak je ingang weerstand niet onnodig hoog zorg voor een zo laag mogelijke temperatuur iets in een oven bouwen is voor het een goed maar voor het ander weer slecht het is altijd een afweging!!

Gr Henk.

Ik heb geen enkel doel met het meten van zo'n spanning, gewoon omdat het kan. Een soort uitbreiding op een multimeter. Eventueel wil ik nog een zéér lage weerstand meten (vierdraadsmeting), door een stroombron toe te voegen.

Nou ja, als het AC is dan gewoon lage frequenties, let's say <=20 kHz, of als dat ook al moeilijk is, <=1 KHz

@electron920
Je zegt dat je veel ontwerpen ziet met een opamp. Heb je hier een voorbeeld van? Of nog beter, zo'n voorbeeld met een transistortrapje?

Dan heb ik 'n beetje een uitgangspunt.

//edit
Uiteraard ben ik dit topic over referenties ookal aan het volgen:
http://www.circuitsonline.net/forum/view/125289

AC meten kan gemakkelijk veel hogere frequenties aan.
Ook log en RMS zijn mogelijk.

@ necessaryevil,

Ik begrijp nu je bedoeling een voorzet voor je DMM is heel nutig ik maak gebruik van diverse voorzet apparaatjes ik hoef niet steeds een andere uitlezing en behuizing.

Zo heb ik heb een versterkertje voor het meten van lage spanningen < 1uV met een versterking van 80dB en een bandbreedte van 100KHz.
Een temperatuur probe met een nauwkerigheid van 0,3 graad.
Een rf detector tot 2GHz.
Een photon detector voor het tellen maar ook de sterkte te meten in de verschillende golflengtes.
Een detector voor ESE.

En dit alles met een 4,5 digit multimeter.

In eerste orde benadering zijn de eigenschappen van je basis instrument bepalend voor de resolutie nauwkuerigheid en de bandbreedte en snelheid.

Ik zal deze week jou voorbeeld uitwerken om 1uV zeg naar je 100mV bereik op je DMM weer te geven laat ik van de volgende aannamen uitgaan.

Ingang spanning minimaal 1uV maximaal 1mV.
Ingang weerstand 10KOhm.
Bandbreedte 10KHz.

Gr Henk.

Ik zal deze week jou voorbeeld uitwerken om 1uV zeg naar je 100mV bereik op je DMM weer te geven laat ik van de volgende aannamen uitgaan.
Gr Henk.

Wow, erg bedankt! Gave meetapparatuur trouwens, zit daar ook zelfbouw tussen?

Bijvoorbeeld:

Uit AN106 van Linear.

Een van de vele schema's.

@rbeckers
Ik was 'm ook al tegengekomen, maar dat ding is AC gekoppeld en heeft een enorme bandbreedte. Dan spelen andere parameters een rol lijkt me.

iets in een oven bouwen is voor het een goed maar voor het ander weer slecht het is altijd een afweging!!

Goeie, ik heb het een en ander even opgezocht en wat ideeën opgedaan. Als je het apparaat op 45°C houdt dan neemt de thermische ruis natuurlijk niet erg veel toe vergeleken met kamertemperatuur, tenminste als ik het goed begrijp[attachment=0]

V² = K_B*R*T
V = ruisspanning (volt)
K = Boltzmann constante
R = weerstand (ohm)
T = temperatuur (K)

20° = 298K, 45°C = 318K

v = sqrt(4*K_b*R*T)
v α sqrt(T)
sqrt(318)/sqrt(298) = 1,03 --> 3% toename van ruis.

http://en.wikipedia.org/wiki/Johnson%E2%80%93Nyquist_noise#Noise_volta…

Meestal willen technici meer bandbreedte.
In dezelfde application note een figuur eerder kan wel vanaf DC en is wat eenvoudiger.

Er zitten in de eis vanaf DC, wat problemen. Om een stabiele uitlezing te krijgen moet er gefilterd worden. Dit gaat ten koste de sneiheid en nauwkeurigheid.

Ik heb dit circuit gevonden met twee fets aan de ingang:

Er wordt een 2SK170BL, LSK170B of LSK389B JFET aanbevolen. In het onderstaande artikel waar de afbeelding uitkomt wordt geen opamp genoemd en helaas zijn de fets obsolete. Heeft iemand een idee wat ik kan gebruiken? Heeft iemand al zoiets als dit gemaakt?

Simple low noise fet amp.pdf

Dit komt niet overeen met je eisen, o.a. DC.

Hi necessaryevil,

Ik ben zeker niet vergeten om met je mee te denken maar ben een beetje verkouden maar wel bezig met de job morgen een grote klus met Ziggo en dan is het weer wat rustig en ik hoop dat ik dan ook weer wat helder ben maar dat terzijde.

Ik heb een ontwerp lijk op wat gevonden heb alleen zonder opamp die kan je er wel achter plakken is niet interessant meer voor wat de ruis betreft al zet je de amp in de woonkamer er achter.

Je haalde in je topic al de Johnson ruis aan ofwel de thermische ruis die is belangrijk maar daar kan je niets aan doen die heb je.
Belangrijker is de flicker ruis 1/f deze is heel maar dan ook heel laag frequent en omdat je dc wil meten 0Hz (ook dit is heel laag frequent) speelt nu juist deze ruis een belangrijke rol.
Fabrikanten van de opamp specificeren deze ruis amper want de meeste de goeie daar gelaten vallen dan door de mand het frequentie gebied waar je aan moet denken 0.00001Hz tot 0.01Hz.
Het beste resultaat bij het maken van de tor of fet verkrijg je als de Rb klein is ik heb hier onderzoek naar gedaan en er is verschil tussen ruis afkomstig van een spanningbron of een stroombron.
Zo is ook de impedantie aanpassing voor optimale vermogens overdracht anders als voor minimale ruis.
Deze vorm van ruis is nog steeds een niet opgelost fenomeen.
Maar de beste eigenschappen verkrijg je door gebruik te maken van een jfet of een gewone bjt dus geen mos.
Het trapje wat ik aan het uitrekenen ben zal een ingang ruis vertegenwoordigen van 0,3 a 0,4 nVolt dit resulteert in een ruisgetal van 1,5 tot 2 dB met een versterking van 40dB als je de trap erachter in mijn voorbeeld je huiskamer versterker een verhoging van 3dB ruis teweeg wil brengen dan moet het ruisgetal ongeveer 42dB bedragen dan had je het ding al het raam uitgegooid.

Twee dingen zijn belangrijk van je eerste trap:

1e ruis getal zo klein mogelijk.
2e versterking zo groot mogelijk.

Gr Henk.