¿Qué circuito es mejor? (Pregunta del amplificador operacional)

Estos circuitos son para detección de corriente sub pA . Sin embargo, cada circuito tiene la misma ganancia; ¿No debería el amplificador multietapa ser teóricamente más rápido que la ganancia de una sola etapa? Las simulaciones de TINA TI dicen que son idénticas, pero quiero saber qué piensan ustedes. ¿Cuáles son los pros/contras de cada uno? ¡Gracias de antemano por la ayuda!

Escenario único

Etapa múltiple

Lo siento, ¿es una resistencia de 1 TΩ en ese primer esquema? Eso es impresionante. Y probablemente propenso a montones y montones de ruido Johnson-Nyquist.
@felthry ¡Sí señor! ¡Ese gran valor es absurdo, sin embargo, la pregunta que tengo aún se mantiene! :)
Yo diría que el segundo es mejor solo en eso. Tales resistencias de alto valor inyectan una gran cantidad de ruido JN en su circuito, y en esa resistencia, la máscara de soldadura en su PCB tiene aproximadamente el mismo orden de magnitud en resistencia y su circuito se vuelve increíblemente sensible al polvo y especialmente cosas como aceites de tu piel al tocarla.
¿Cuál es la ganancia de bucle abierto de ese amplificador operacional con el 1 T Ω resistencia de retroalimentación?
@AlfredCentauri La ganancia de bucle abierto es de 120 dB. Felthry, la técnica profesional actual es eliminar la máscara de soldadura del área en la que se produce la alta ganancia. Los amplificadores operacionales también tienen anillos de protección para reducir el ruido. He probado el primer circuito antes; funciona, pero el tiempo de respuesta es de 10 s. Quiero disminuir el tiempo de respuesta usando una ganancia de opamp multietapa. Si les puedo dar algo para hacer referencia a la placa de evaluación LMP7721 es un gran ejemplo.
@felthry ^^ No pude etiquetar a 2 personas en 1 publicación, pero el mensaje sobre ^^
Oh, entiendo que existen procedimientos para usar cosas de tan alta impedancia, pero si puede evitar tener un componente tan sensible, lo recomendaría.
Te tengo, entonces ve al circuito número 2 y mira cómo resultan las cosas.
Este no parece un circuito peligroso, ni parece costoso, así que lo mejor para él es probablemente construirlo y averiguarlo.
¿Cómo implementa Keithley sus máquinas de medición de corriente?
Si la constante de tiempo es demasiado larga, reduzca el límite de retroalimentación.
Keithley utiliza la integración de ADC para lograr la resolución
@AlfredCentauri me encantaría abrir uno, pero no quiero anular la garantía :/
@felthry, lamentablemente, es un circuito bastante caro, con la protección y los componentes. La placa de evaluación LMP7721 utiliza rastros de oro
@robert Endl desafortunadamente, si baja el límite de retroalimentación, el circuito es sensible pero el ruido aumenta mucho
@laptop2d Creo que voy a construir uno de esos circuitos en el futuro, ¡solo quiero probar esta forma primero! Probarlo con un medidor de fuente
Bueno, los LMP7721 en sí mismos no son terriblemente caros. Mouser los tiene por $4.72 cada uno en una sola cantidad. No es el amplificador operacional más barato que existe, pero no es algo que te preocupe demasiado por dañar. Pero, ¡probablemente sepas más sobre esto que yo! No trato mucho con cosas de precisión extremadamente alta como esta.
gracias por toda la ayuda @felthry, ¡sus aportes son apreciados!

Respuestas (2)

Sin conocer los tipos de opamp, el segundo circuito será más rápido porque la constante de tiempo RC es mucho menor en los componentes de retroalimentación de la primera etapa. Si el segundo circuito tuviera un capacitor de retroalimentación de 10 nF, entonces serían idénticamente rápidos (nuevamente suponiendo amplificadores operacionales perfectos).

Las simulaciones de TINA TI dicen que son idénticos

Entonces, o está proporcionando los circuitos incorrectos aquí o está haciendo algo mal en TINA.

Con respecto al ruido, el primer circuito sería mejor teóricamente porque el ruido térmico de la resistencia no es proporcional a la resistencia sino a la raíz cuadrada. Sin embargo, puede encontrar que con algunos opamps, dividir la ganancia entre dos etapas puede proporcionar un ruido más bajo en general debido a la necesidad de considerar la ganancia de ruido del opamp. Otro tema significativo.

Recomendaría visitar dispositivos analógicos y usar su herramienta para amplificadores de fotodiodos . Incluso si su diseño no es una aplicación de fotodiodo, la herramienta seguirá siendo muy útil.

Puede hacerlo de una o dos etapas y reproducir melodías con los valores para optimizar el rendimiento. Puede seleccionar una gran cantidad de opamp, así que trabaje con este sitio y perfeccione el diseño, luego intente elegir opamp que recomienden o encuentre alternativas. No creo que te decepcione.

Sospecho que su referencia a TINA solo trata sobre el rendimiento de DC.
@Andy, también conocido como Para especificar más, idéntico con respecto a la Característica de transferencia de CC. El Opamp que estoy usando es el LMP7721. Mi principal preocupación es el tiempo de respuesta. La reducción de la resistencia de 1T ohm reducirá drásticamente el tiempo de respuesta, pero tengo curiosidad por saber por qué no he visto a otros usar amplificadores operacionales multietapa en la detección de femtocorriente, razón por la cual publiqué en el foro. Mi aplicación no es para fotodiodos, pero revisaré su herramienta. Agradezco toda la ayuda, gracias!
Sí, la herramienta es buena y llega un punto en el que las compensaciones con el ruido, la ganancia de ruido y las corrientes de polarización que producen compensaciones no deseadas hacen que un amplificador operacional en cascada sea mejor.

Esto funciona en simulación, va a ser difícil realizar este modelo en el mundo físico. Necesitará un amplificador operacional con una corriente de polarización de entrada más baja que la resistencia. La resistencia grande agregará ruido Jhonson-Nyquist , calcule esto para un amplificador operacional de bucle cerrado y asegúrese de que el ruido sea aceptable con las diferentes combinaciones de resistencia.

Otro problema que vale la pena mencionar y que ya conoce es el problema de otros materiales (como el FR4 de una placa de circuito impreso que tiene una resistividad superficial de 1e7Ω) que conducen corriente al pin del amplificador operacional. Por lo tanto, puede eliminar el error de la pieza o usar rastros de protección (o podría usar un material de PCB diferente con una resistencia de superficie más alta).

¿No debería ser teóricamente más rápido el amplificador multietapa que la ganancia de una sola etapa?

En este caso, sí. La alta ganancia podría crear problemas de ancho de banda. Gráficalo. Dibuje una línea horizontal para la ganancia de bucle abierto del amplificador, luego dibuje una línea inclinada con una caída de 20db en el punto de ancho de banda de ganancia unitaria. Esta es la ganancia total y el ancho de banda de su amplificador. Mostrar a continuación. Ahora haga lo mismo para la ganancia de bucle cerrado. Dibuje una línea horizontal para la ganancia de bucle cerrado y una línea de caída de 20db, pero esta debe dibujarse en el corte de frecuencia del punto de filtro de paso bajo (punto de corte RC). Si la línea de bucle cerrado no encaja dentro de la línea de bucle abierto, el diseño no funcionará según lo previsto.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Las simulaciones de TINA TI dicen que son idénticas, pero quiero saber qué piensan ustedes. ¿Cuáles son los pros/contras de cada uno?

El primer circuito tiene una resistencia más grande, las resistencias más grandes tienen tolerancias más grandes, lo que significa que si está tratando de controlar el corte de su filtro, es una tolerancia desconocida más grande.

Como no ha elegido amplificadores operacionales, realmente no puedo comentar cuál será el ruido. El segundo circuito tendrá menos ruido de la resistencia, pero agregará ruido de un segundo amplificador.

Los valores calculados en un corte de 1 Hz con una
resistencia de 25C 1TΩ -- 128.286uV-rms
Resistencia de 10GΩ -- 12.8286uV-rms

La resistencia de 1T tiene una ganancia de 10^10

La resistencia de 10G tiene una ganancia de 10e8 y la secundaria con una ganancia de 100 para una ganancia total de 10^10, pero ahora tiene el ruido adicional del amplificador operacional de segunda etapa que deberá tenerse en cuenta. El ruido del amplificador operacional de el primero también se multiplicará por una ganancia de 100. También debe preocuparse por las compensaciones de voltaje del segundo.

En mi experiencia, si usa el mismo amplificador operacional, siempre resulta mejor obtener toda la ganancia en la primera etapa; sin embargo, si estuviera usando dos amplificadores operacionales diferentes, sería mejor tener una segunda etapa.

Quiero hacer que las cosas funcionen con dos amplificadores operacionales LMP7721, ya que es un amplificador operacional de ruido ultrabajo. Y eso es exactamente lo que me preocupaba: el ruido causado por el escenario en cascada. ¿Cuáles son sus pensamientos sobre mi selección opamp? Construí el primer circuito antes y el tiempo de respuesta es lento (10 s), por lo que creo que la etapa múltiple puede ser la mejor opción para disminuir el tiempo de respuesta.
El LMP7721 tiene mucho ruido 1/f, de hecho, es posible que tenga problemas con tanta ganancia. Digamos que el ruido es de 0,1 nV/Hz^0,5 (plano, que es una estimación conservadora) y tiene 10 Hz de ancho de banda (de 0,01 a 0,1 Hz también conservador) que es 1/3uV-rms ahora multiplíquelo por una ganancia de 10^ 10, eso es 3,16 V-rms de ruido. No digo que eso sea lo que obtendrás, pero es algo de qué preocuparse. Usaría un chopper de riel a riel en la segunda etapa con poco ruido, definitivamente intentaría bajar la ganancia en la primera etapa.
hmm, el LMP7721 definitivamente puede tomar una resistencia de 10 Mohm en la primera etapa (la he usado en la placa de evaluación LMP7721), sin embargo; Necesito 1E12 ganancia total. ¿Debo recurrir a disminuir la ganancia a 10E6 en la etapa uno y 1E5 en la etapa dos? El amplificador operacional de riel a riel que poseo actualmente es un OPA350, que tiene un GBP de 38 MHz y un ruido de 5 nV/Hz^0.5, ¡pero todavía estoy buscando mejores soluciones! ¡Creo que su aporte ciertamente coincide con mi preocupación más de cerca que los demás!
El OPA350 no tiene información sobre la región de 0,1 a 10 Hz, que es donde está la mayor parte del ruido en un opamp (y el ancho de banda de su señal). También significa que probablemente no esté diseñado para aplicaciones de baja frecuencia. la especificación de 5nv/Hz^0.5 solo se mantiene para 100Hz y más.
ah si, eso es correcto. ¡Parece que tengo algunas compras inteligentes que hacer! ¡Gracias por toda la ayuda! ¡Te dejaré saber cómo resultan las cosas la próxima semana!
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