PROM2PROM - кабинет для закупа электронных компонентов

Изолированный усилитель фемтоамперных токов с экстремальным диапазоном регулировки усиления

Texas Instruments LM334 LMC6044

Усиление субпикоамперных токовых сигналов всегда представляет для разработчика сложную задачу, особенно если требуется регулировка усиления, охватывающая несколько декад. Прямой подход к задаче проектирования обычно предполагает использование потенциометров и тераомных резисторов обратной связи, которые не являются ни легко миниатюризируемыми, ни термостабильными. Предлагаемая здесь схема основана на другом подходе, использующем биполярные транзисторы, уравнение p-n перехода и источник тока смещения с температурной компенсацией. Термокомпенсированное устройство обеспечивает диапазон регулировки усиления 160 дБ (100,000,000:1), линейную в дБ регулировочную характеристику, а также линейную оптическую изоляцию для подавления синфазных составляющих низкоуровневых сигналов.

Диапазон коэффициентов усиления фемтоамперметра составляет восемь декад.
Рисунок 1. Диапазон коэффициентов усиления фемтоамперметра составляет восемь декад.

Ядром конструкции является цепь обратной связи усилителя U2C, основу которой составляет управляющая током пара транзисторов Q1 и Q2 (Рисунок 1). Регулировка усиления потенциометром VR1 задает разность смещений VB (0–500 мВ) между транзисторами, которая, в свою очередь, устанавливает соотношение между токами их эмиттеров в соответствии с обычным уравнением диода:

где TA – температура окружающего воздуха в градусах Кельвина.

Таким образом, при TA = 300 K (27 °C) посредством регулировки подстроечного резистора VR1 можно получить диапазон усиления 0 – 166 дБ. (Из классического уравнения транзистора разность 60 мВ при 300 К соответствует 10-кратному увеличению тока. Следовательно, регулировке напряжения управления усилением в пределах 500 мВ соответствует диапазон коэффициентов усиления 10500/60).

При этом обеспечивается температурная компенсация источника U1; его выходной ток пропорционален абсолютной температуре (10 мкА при 300 K). Температуры элементов U1, Q1 и Q2 должны быть максимально близкими друг к другу. Совместного расположения под общим экраном может быть достаточно, но еще лучше фактическое соединение, так как на каждый градус разности температур транзисторов усиление будет изменяться примерно на 5%.

Выходной ток транзистора Q2 дополнительно усиливается усилителем U2D с коэффициентом 1000:1 (60 дБ), определяемым соотношением сопротивлений резисторов R6/R5, подключенных к выходу транзисторной оптопары U3D. Включение оптоизолятора U3B в цепь обратной связи усилителя U2D и работа двух связанных оптопар при одинаковых напряжениях смещения и уровнях тока обеспечивают хорошую линейность и стабильность точности, не зависящие от времени и температуры.

Первоначально фемтоамперметр был применен в уникальном приборе для обнаружения импульсов 1.6 × 10–15 Кл, образующихся при радиоактивном распаде радона (222Rn) в воздухе. Большинство детекторов радона не способно непосредственно обнаруживать и подсчитывать основной распад Rn и вместо этого зависят от электростатического осаждения «дочерних атомов» побочных продуктов основного распада. Из-за медленного «врастания» дочерних атомов на выполнение анализов, необходимых для получения точного измерения концентрации радона, требуются часы. Напротив, в приборах, основанных на описанной здесь идее, реализована постобработка накопленной информации об обнаруженных импульсах: 

где массив Di содержит константы, рассчитанные на основе скоростей распада дочерних изотопов радона, которые вычислительным путем подвергают обратной свертке для удаления вклада дочерних атомов, производя точный анализ активности радона за минуты, а не за часы.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments LM334
  2. Datasheet Texas Instruments LMC6044
  3. Datasheet CEL PS2501-4
  4. Datasheet ON Semiconductor 2N5089

EDN

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: FemtoAmp offers extreme gain range & isolation

56 предложений от 26 поставщиков
CURRENT SOURCE ADJ 40V TO92 Termination Type Through Hole Operating Temperature Range 0°C to +70°C Case Style TO-92 No of Pins 3 Base Number 334 Output...
LL04CR-AU45135L46
от 7 ₽
Триема
Россия
1704
10 ₽
LM334/35DZ
по запросу
LM334ZNOPB
Texas Instruments
по запросу
Corebai - АЦП, ЦАП, ОУ, интерфейсы и другие аналоговые микросхемы поступили на склад
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Мне в этой схеме понравилось не ядро конструкции с термокомпенсацией, а способ линеаризации оптоизолированного выхода на усилителе U2. Вроде бы ничего особенного, транзисторные оптопары U3 счетверённые, но я когда-то решая аналогичную задачу не додумался до этого, использовав IL300 (PS8741, HCNR200).
  • Решение оптоизоляции в этой схеме ничего особенного не представляет, за счёт разницы коэффициентов передач для каждого канала в счетверённом (сдвоенном) оптроне, точность коэффициента передачи будет низкая, с посредственной как временно́й стабильностью, так и температурной. То, что указано, как преимущество схемы таковым не является. В принципе, для решения поставленной задачи такой точности вероятно хватает. Использование IL300 позволяет получить долговременную стабильность и точность, но линейный динамический диапазон до 80 дБ по напряжению(если в широком температурном диапазоне), чего обычно хватает для измерительных приборов. Однако есть проблемы с экономичностью по питанию...
  • Всё так. Конечно, CTR оптронов может отличаться в 5-10 раз, плюс температурный дрейф характеристик. Но небольшой рабочий ток в районе 1мА гарантирует, что на выходе будет линейный участок с запасом. А уж как там сдвинут выход U3D не столь существенно для единичных устройств и лабораторных задач. В этом случае всё можно отторировать.
  • Я тоже подумал: логично использовать счетверённую (сдвоенную) оптопару для линеаризации передаточной хар-ки, но в даташите на PS2501 не указано, что оптопары являются согласованными. Согласованные пары (наборы) транзисторов имеются, а вот существуют ли согласованные наборы оптопар?
  • Я не встречал, а PS2501 вполне обычные. В IL300 и аналогах фотодиоды согласованы. Но всегда можно использовать что-то вроде HCPL-7860 :-)