Wie erreicht man eine analoge Null-Drift-Probe und hält sie stundenlang?

Dieser sogenannte "Zero Drift" -Opamp sinkt bei einer Temperatur von 85 ° C und einer Kappe von 1 uF auf 0,001 V / s. Wenn ich die Spezifikation richtig lese, sind das 3,6 V / Stunde!

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf398-n.pdf

Gibt es eine Methode, um einen Niedrigstrom V für bis zu 5 Stunden mit Drift oder Droop innerhalb meiner gewünschten Auflösung von ca. 250 ppm oder äquivalenten 12 Bit zu speichern?

"Niedriger Strom" bedeutet mA- oder uA-Skala.

Die Abtastrate liegt zwischen einmal pro Sekunde und einmal pro 5 Stunden.

Bleiben Sie lieber im analogen Bereich, weil ich mein analoges Wissen erforschen und erweitern möchte.

Die Lösung sollte praktisch sein und allgemein verfügbare Komponenten verwenden

Digitale Lösungen sind in Ordnung, sollten jedoch codefrei sein, damit sie nicht für Programmierer zugänglich sind und für deren Implementierung kein Computer erforderlich ist. Daher ist sie für Personen zugänglich, die keinen Computer besitzen (z. B. die wirtschaftlich benachteiligten Teenager, die ich betreue). .

Nicht nach bestimmten Teilenummern fragen, sondern nur nach der grundlegenden Methode.

Update:
Der Hersteller hat bestätigt, dass meine Schätzung des Stundenabfalls korrekt ist. Nach Angaben des Herstellers wird die Statik weitgehend durch den Eingangsvorspannungsstrom des Pufferverstärkers und die durch den Schalter möglicherweise auftretenden Leckagen beeinflusst - nicht nur durch normale Kondensatorleckagen. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

Nun, es scheint Lösungen zu geben, obwohl es ein bisschen wie eine Explosion aus der Vergangenheit ist ...

Eine Übersicht über analoge Speichergeräte (ab 1962)

"Der Transpolarisator, ein elektrostatisches Analogon des bekannteren Transfiuxors ..."

Für eine modernere Lösung scheint ein Mikro mit ADC und DAC der richtige Weg zu sein. Im Gegensatz zu den analogen Lösungen ist es auch viel wahrscheinlicher, dass es temperaturstabil ist, was immer ein schöner Bonus ist ...

Über Large Caps: Es gibt mehrere Probleme.

• Der Kondensatorwert hängt von der Temperatur ab. Bei konstanter Ladungsmenge in der Kappe ändert sich die Spannung mit der Temperatur. Der Effekt ist je nach Kappentyp winzig oder riesig.

• Die Kondensatorleckage hängt stark von der Temperatur ab (für Elektrolyte).

• X7R ist ein piezoelektrisches Mikrofon.

• Dielektrische Absorption bedeutet, dass Sie Ihre Kappe aufladen, dann abnehmen, etwas warten, und dann ist die Spannung daran anders! Und es hängt von der Spannung ab, die vor dem Laden (oder Entladen) vorhanden war. Auch bei Large Caps, die zur Entkopplung der Versorgung vorgesehen sind, ist der Effekt absolut harmlos, sodass sich niemand darum kümmert und daher keine Spezifikation vorliegt. Ich weiß nicht, ob es von Temperatur und Alterung abhängt, aber es gibt keinen Grund, warum dies nicht der Fall ist. Sie erhalten nur eine nützliche Spezifikation für Kappen, die für hochpräzise Integratoren und ähnliches vorgesehen sind.

Ich erinnere mich, wie ich die Leckage an einer 470µF 6V3 Panasonic FR-Kappe gemessen habe. Ich habe es einige Minuten lang auf 5 V aufgeladen und dann alle paar Minuten gemessen. Die Spannung würde aufgrund von DA schnell abfallen und sich dann bei etwa 4 V stabilisieren. Ich ließ die Kappe eine Woche lang auf einem Regal und maß erneut. Die berechnete Leckage war in den Nanoampere, aber Sie müssten sie für eine Weile (wie mindestens einige Stunden, wenn nicht Tage) auf der Zielspannung halten, um die dielektrische Absorption zu überwinden ... daher wäre sie in dieser Anwendung völlig nutzlos .

Holen Sie sich ein motorisiertes Potentiometer. Verwenden Sie zum Abtasten einen Operationsverstärker, um die Differenz auf Null zu setzen, und halten Sie sie nicht, um sie zu halten. Die Genauigkeit wird wahrscheinlich ziemlich niedrig sein, aber hey, keine Abweichung.

Bei analogen Standardkomponenten wäre die Antwort darauf nein, nicht wirklich.

Natürlich können Sie mit ausreichend großen Kondensatoren oder anderen Speicherelementen den Pegel über einen langen Zeitraum auf einem gewünschten Differential halten, aber mit der Zeit kommt es immer zu Verlusten. Ferner wird durch das Extrahieren von Informationen aus dem Speichergerät Energie aus diesem Gerät entfernt.

Theoretisch könnten Sie mit einer supraleitenden Schleife, die in geeigneter Weise von externen Magnetfeldern isoliert ist, einen unbestimmten Strom erzeugen. Das Messen dieses Stroms würde jedoch wiederum eine Energieentfernung beinhalten.

ZUSATZ

Eine andere Alternative könnte darin bestehen, Material oder Substanzen in Gegenwart eines Hall-Effekt-Sensors "dauerhaft" zu magnetisieren. Mit dem richtigen Material könnten Sie dieses "Level" sehr lange speichern.

Aber natürlich wäre es viel billiger und einfacher, es nur digital zu machen.

Sie benötigen jedoch kein Mikro.

Das Folgende ist eine hybride analoge / digitale Peak Detect and Hold-Schaltung.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Die Schaltung verwendet einen Folger-DAC, um einen Spannungspegel von einem Zähler zu erhöhen, um ihn an die Spannung am Kondensator anzupassen. Sobald der DAC-Wert übereinstimmt, stoppt die Zählung und die Ausgangsspannung bleibt so lange erhalten, wie die Stromversorgung eingeschaltet ist oder bis das CLEAR-Signal gesendet wird. Die Kappe muss jetzt nur noch den Spitzenwert halten, wie lange der Zähler benötigt, um auf diese Spannung hochzufahren. Offensichtlich hängt die Granularität der Ausgabe von der Anzahl der Bits im Zähler / DAC ab.

Eine echte "Sample and Hold" -Schaltung würde einen zusätzlichen Eingang wie unten gezeigt oder eine Art Fensterkomparator erfordern, um zu erkennen, wann sich der Zähler innerhalb eines Schritts des Werts befindet.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Wenn die Anstiegsrate des Zählers / DAC schneller ist als die Anstiegsrate Ihres ursprünglichen Signals, benötigen Sie den analogen Sampler überhaupt nicht.

Während es in digital viel einfacher ist, können Sie dies sicherlich in analoger Weise mit einer sorgfältigen Teileauswahl tun.

Im Wesentlichen benötigen Sie drei Hochleistungskomponenten:

• Ein Kondensator mit geringer Leckage
• Ein analoger Schalter mit geringer Leckage
• Ein Operationsverstärker mit niedrigem Eingangsvorspannungsstrom für Ihren Ausgangspuffer

Vergessen Sie herkömmliche Keramikkondensatoren, wenn Sie stundenlang halten möchten. Ihre beste Wahl ist ein Polypropylen-Filmkondensator. Bob Pease hat einen großartigen Artikel über die Charakterisierung ihrer Leckrate geschrieben: Was ist überhaupt all dieses Kondensatorleckage-Zeug? Es liegt in der Größenordnung von Millivolt pro Tag, was wahrscheinlich für Ihre Anwendung ausreicht.

Der Schalter ist ein oft übersehener Teil davon. Sie werden feststellen, dass selbst die besten handelsüblichen Halbleiter-Analogschalter Leckagen im Bereich einiger Picoampere aufweisen. Eine Leckrate von 10 pA bedeutet, dass Sie bei einer 1uF-Kappe über einen Zeitraum von fünf Stunden 180 mV ablassen. Dies kann für Sie akzeptabel sein oder auch nicht. Wenn Sie es besser machen müssen, ist eine bessere Lösung ein Reed-Relais, das im Wesentlichen eine vernachlässigbare Leckage aufweist, da es tatsächlich einen Luftspalt zwischen den Kontakten bildet.

In Bezug auf Operationsverstärker mit niedriger Eingangsvorspannung stehen einige Optionen zur Verfügung. Ich habe kürzlich den LMP7721 von TI für ein hochohmiges Design verwendet. Es hat ein maximales Ib von 20 fA bei Raumtemperatur und 900 fA bei 85 ° C.

Wir können uns also ziemlich leicht ein Design vorstellen, das eine Polypropylenkappe, ein Reed-Relais und einen Puffer mit niedrigem Ib enthält. Stellen wir uns vor, wir verwenden:

• Ein 0,33 uF Vishay-Polypropylen- Kondensator, der eine RC-Zeitkonstante gegen Leckage in der Größenordnung von Sekunden bei Raumtemperatur aufweist.$4 \cdot 10^5$

• Ein erstklassiges Reed-Relais mit einem Leerlaufwiderstand von .$10^{14} \Omega$

• Der zuvor erwähnte LMP7721 - Opamp .

Mit den oben genannten Komponenten bei Raumtemperatur würden Sie nach 5 Stunden die folgenden Fehlerbeiträge erhalten:

• Ein Abfall von 4,5% von der RC-Zeitkonstante der Kappe.
• Im Wesentlichen vernachlässigbare Abweichung vom Reed-Relais
• Im Wesentlichen vernachlässigbare Drift aus dem Puffer.

Dies setzt voraus, dass Sie ein geeignetes niederohmiges Layout haben (z. B. Lötmaske von der Platine entfernt, einen angetriebenen Schutzring verwenden).

Auch der RC-Wert für die Polypropylenkappe ist ein Worst-Case-Wert: Die reale Welt ist wahrscheinlich besser. Korrektur: Das ist ein typischer Wert. Wie Pease in dem oben verlinkten Artikel feststellte, kann eine Polypropylenkappe nach dem Einweichen eine Zeitkonstante in der Größenordnung von Jahren haben. Dies erfordert daher einige Experimente und wahrscheinlich Binning.

Es ist also durchaus möglich, dies analog zu tun, obwohl dies wahrscheinlich nicht praktikabel ist, wenn die Alternative darin besteht, die Ausgabe zu digitalisieren.

Ich habe dies mit einem Reed-Relais, einem AD545-Operationsverstärker (es gibt jetzt bessere) und einem großen 100-Volt-Polypropylen-Kondensator gesehen. Der Bretthersteller kann Schnitte auf dem Brett machen, die besser funktionieren als Schutzringe allein. Das Relais war KEIN epoxidgeformter Typ, sondern eine Art "offener Rahmen". Der Operationsverstärker war in einer Dose, aber das wird heutzutage nicht möglich sein.

Dieses Rig war tagelang stabil.

Lösung 1

Wenn Sie die Leckage-Neigung Ihrer Kappe kennen, können Sie die Kappe in zeitlichen Abständen wiederholt "auffüllen", um ein Absinken auszugleichen.

Die Steigung ist jedoch wahrscheinlich nichtlinear, so dass der Auffüllbetrag nichtlinear wäre. Es ist möglich, dass der Betrag ein einfacher Prozentsatz des Gebührenniveaus der Obergrenze ist, was die Dinge vereinfachen würde.

Lösung 2

Wenn Sie Zugriff auf die Chipherstellungseinrichtung haben, können Sie möglicherweise diese esoterische "nichtflüchtige analoge 3-Transistor-Speicherzelle mit einer effektiven Auflösung von 14 Bit replizieren. Sie besteht aus einer Ladung, die auf einem MOS-Transistor-Floating-Gate gespeichert ist und mittels heißer Elektronen geschrieben wird Einspritzen und Löschen mittels Gateoxid-Tunnel. Geringe Größe und geringer Stromverbrauch. "

https://pdfs.semanticscholar.org/ed68/f94ad3d4bfad1126e83d152e23e6e6e0e495.pdf

Oder diese Technik, bei der das EEPROM als analoges Speichergerät verwendet wird:

https://people.eecs.berkeley.edu/~hu/PUBLICATIONS/Hu_papers/Hu_JNL/HuC_JNL_194.pdf

Lösung 3

Obwohl dies nicht analog ist, können Sie einen dedizierten ADC-Chip direkt an einem Latch verwenden. Dadurch könnte vermieden werden, dass gemäß OP eine MCU verwendet wird, die die Lösung codefrei hält.

Möglicherweise müssen Sie verschiedene diskrete Logikchips, Takte oder Zähler verwenden, damit die Verriegelung funktioniert.

Dieser Maxim-Chip soll beispielsweise ohne MCU funktionieren (keine Produktempfehlung).

https://www.maximintegrated.com/de/app-notes/index.mvp/id/1041

Hier ist ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines ADC ohne MCU. Dieses System ist weitaus komplexer als das, was das OP benötigt. Als Audiorecorder beispielsweise übersteigen die Anforderungen an Abtastrate und Speicher die Anforderungen des OP bei weitem.

http://ultimationee.blogspot.com/2011/09/digitally-recording-and-playing-back.html

Lösung 4

Sie können allgemein verfügbare, kostengünstige digitale Potentiometer verwenden. Sie sind mit dauerhaftem Speicher verfügbar und einfach zu verwenden.

Ihre Auflösung ist jedoch nicht sehr hoch und reicht von 100 bis 256 Schritten. Sie können 5 in Reihe verwenden, um eine effektive Auflösung von 12 Bit zu erzielen.

Könnte direkt von einem ADC am Eingang angesteuert werden, wobei eine MCU vermieden wird. Im Grunde genommen würden Sie diese also als Verriegelung verwenden. Ein Riegel könnte einfacher sein.

Dieser Link ist nicht als Werbung für ein Produkt oder einen Händler gedacht

https://www.mouser.com/Mobile/Semiconductors/Digital-Potentiometer-ICs/_/N-4c498/