Как добиться аналоговой пробой нулевого дрейфа и выдержать часами?

Этот так называемый операционный усилитель с нулевым дрейфом падает .001 В / сек, при температуре 85 ° С с ограничением 1 мкФ. Если я правильно читаю спецификации, это 3,6 В / час!

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

Есть ли способ сохранить низкий ток V в течение примерно 5 часов со смещением или спадом в пределах моего желаемого разрешения около 250 ppm или эквивалентных 12 бит?

«Низкий ток» означает шкалу мА или мкА.

Частота дискретизации составляет от одного раза в секунду до одного раза в 5 часов.

Предпочитаю оставаться в аналоговой области, потому что я хочу изучить и расширить свои аналоговые знания.

Решение должно быть практичным и использовать общедоступные компоненты

С цифровыми решениями все в порядке, но они должны быть свободны от кода, поэтому они доступны для не кодировщиков и не требуют компьютера для реализации, поэтому они доступны для людей, у которых нет компьютера (например, для экономически неблагополучных подростков). ,

Не запрашивая конкретные номера деталей, просто основной метод.

Обновление:
Производитель подтвердил, что моя оценка удельного веса в час верна. По словам производителя, на спад во многом влияет входной ток смещения буферного усилителя и любая утечка через коммутатор, а не обычная утечка конденсатора. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

Ну, похоже, есть решения, хотя это немного взрыв из прошлого ...

Обзор аналоговых устройств памяти (с 1962)

«Трансполяризатор, электростатический аналог более широко известного трансфиоксора ...»

Для более современного решения, микро с АЦП и ЦАП, кажется, путь. Кроме того, в отличие от аналоговых решений, он намного более стабилен с температурой, что всегда является хорошим бонусом ...

По поводу больших колпачков: есть несколько проблем.

• Значение конденсатора зависит от температуры, поэтому при постоянной величине заряда в вашей крышке напряжение будет меняться в зависимости от температуры. Эффект будет крошечным или огромным, в зависимости от типа кепки.

• Утечка конденсатора во многом зависит от температуры (для электролитов)

• X7R - пьезоэлектрический микрофон.

• Диэлектрическое поглощение означает, что вы заряжаете свою крышку, затем отсоединяете ее, немного ждете, а затем напряжение на ней теперь другое! И это зависит от напряжения, которое было там до того, как вы зарядили (или разрядили его). Кроме того, для больших колпачков, предназначенных для развязки расходных материалов, эффект абсолютно безвреден, поэтому никто не заботится об этом, и поэтому нет никаких спецификаций. Я не знаю, зависит ли это от температуры и старения, но нет никаких причин, почему это не так. Вы получите только полезную спецификацию для крышек, которые предназначены для высокоточных интеграторов и тому подобного.

Я помню измерение утечки на крышке Panasonic FR 6V3 470 мкФ. Я заряжал его до 5 В в течение нескольких минут, а затем измерял каждые несколько минут. Напряжение быстро падало из-за DA, затем оно стабилизировалось на уровне около 4 В. Я оставил кепку на полке на неделю и измерил снова. Расчетная утечка была в наноамперах, но вам нужно было бы некоторое время удерживать ее на целевом напряжении (например, по крайней мере, несколько часов, если не дней), чтобы преодолеть диэлектрическое поглощение ... так что это было бы совершенно бесполезно в этом приложении ,

Получить моторизованный потенциометр. Для сэмпла используйте операционный усилитель, чтобы свести разницу к нулю, чтобы удержать ее, не двигайте ее. Точность, вероятно, будет довольно низкой, но не дрейфует.

Со стандартными аналоговыми компонентами ответ на этот вопрос был бы нет, не совсем.

Конечно, при наличии достаточно больших конденсаторов или других запоминающих элементов вы можете поддерживать уровень с точностью до требуемого перепада в течение длительного периода, но со временем всегда будут некоторые потери. Кроме того, акт извлечения информации из запоминающего устройства удаляет энергию из этого устройства.

Теоретически, с помощью сверхпроводящей петли, надлежащим образом изолированной от любых внешних магнитных полей, вы можете установить неопределенный ток. Но опять же, измерение этого тока потребует удаления энергии.

Сложение

Другой альтернативой может быть «постоянное» намагничивание какого-либо материала или вещества в присутствии датчика Холла. С правильным материалом вы могли бы хранить этот «уровень» в течение очень долгого времени.

Но, конечно, было бы намного дешевле и проще, просто сделать это в цифровом виде.

Тем не менее, вам не нужен микро.

Ниже приведена гибридная аналогово-цифровая схема обнаружения и удержания пиков.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Схема использует последовательный ЦАП для снижения уровня напряжения со счетчика, чтобы соответствовать напряжению на конденсаторе. Как только значение ЦАП согласовано, отсчет останавливается, и выходное напряжение будет поддерживаться до тех пор, пока включено питание, или пока не будет отправлен сигнал CLEAR. Теперь колпачок должен удерживать пиковый уровень только в течение длительного времени, необходимого для увеличения счетчика до этого напряжения. Очевидно, что детализация вывода зависит от количества бит в счетчике / ЦАП.

Истинная схема «Sample and Hold» потребует дополнительного входа, как показано ниже, или какой-либо формы оконного компаратора для определения, когда счетчик находится в шаге от значения.

^{смоделировать эту схему}

Если скорость нарастания счетчика / ЦАП выше скорости нарастания исходного сигнала, вам вообще не нужен аналоговый сэмплер.

Хотя в цифровом виде это намного проще, вы, безусловно, можете сделать это в аналоговом режиме с тщательным выбором деталей.

По сути, вам нужны три высокопроизводительных компонента:

• Конденсатор с малой утечкой
• Аналоговый переключатель с малой утечкой
• Операционный усилитель с низким входным током смещения для вашего выходного буфера

Забудьте об обычных керамических конденсаторах, если планируете держать их часами. Ваш лучший выбор - это полипропиленовый пленочный конденсатор. Боб Пиз написал отличную статью о характеристике скорости утечки: что это за утечка конденсатора? Это порядка милливольт в день, что, вероятно, достаточно для вашего приложения.

Переключатель - часто пропускаемая часть этого. Вы обнаружите, что даже лучшие готовые твердотельные аналоговые коммутаторы имеют утечки в диапазоне нескольких пикоампер. Скорость утечки 10 пА означает, что при ограничении в 1 мкФ вы будете сливать 180 мВ в течение пяти часов. Это может или не может быть приемлемым для вас. Если вам нужно сделать лучше, лучшим решением будет геркон, который имеет практически незначительную утечку из-за того, что фактически создает воздушный зазор между контактами.

Что касается операционных усилителей с низким входным током смещения, существует довольно много вариантов. Я недавно использовал LMP7721 от TI на высокоимпедансной конструкции. Максимальное значение Ib составляет 20 фА при комнатной температуре и 900 фА при 85 ° C.

Таким образом, мы можем довольно легко представить дизайн, который включает в себя полипропиленовый колпачок, геркон и буфер с низким Ib. Давайте представим, что мы используем:

• 0.33uF Vishay Полипропилен конденсатор, который имеет постоянное время RC от утечки порядка$4 \cdot 10^5$ секунд при комнатной температуре.

• Лучший в классе реле тростника , с сопротивлением холостого хода$10^{14} \Omega$,

• Ранее упомянутый операционный усилитель LMP7721 .

При использовании вышеуказанных компонентов при комнатной температуре через 5 часов вы получите следующие ошибки:

• 4,5% спада от постоянной времени RC крышки.
• По существу незначительный дрейф от герконов
• По существу незначительный дрейф из буфера.

Это предполагает, что у вас есть правильная схема с низким импедансом (например: удалите паяльную маску с платы, используйте ведомое защитное кольцо).

Кроме того, значение RC для полипропиленовой крышки является худшим значением: реальный мир, вероятно, лучше.Исправление: это типичное значение. Однако, как обнаружил Пиз в статье, приведенной выше, полипропиленовая крышка после замачивания может иметь постоянную времени порядка лет. Поэтому это потребует некоторых экспериментов и, возможно, биннинга.

Таким образом, это, безусловно, возможно сделать в аналоговом режиме, хотя, вероятно, не практично, когда альтернативой является оцифровка выходных данных.

Я видел, как это было сделано с помощью герконов, операционного усилителя AD545 (есть и лучшие) и большого 100-вольтового полипропиленового конденсатора. Изготовитель доски может делать надрезы на доске, которые работают лучше, чем только защитные кольца. Реле было НЕ отлитым из эпоксидной смолы, а каким-то типом «открытой рамки». Операционный усилитель был в банке, но в наши дни это невозможно.

Эта установка была стабильной в течение нескольких дней.

Решение 1

Если вы знаете наклон утечки вашей крышки, вы можете неоднократно «доливать» крышку через определенные промежутки времени, чтобы компенсировать падение.

Однако наклон, скорее всего, нелинейный, поэтому сумма пополнения будет нелинейной. Возможно, сумма может быть простым процентом от уровня заряда колпачка, что упростит вещи.

Решение 2

Если у вас есть доступ к средству изготовления микросхем, вы можете быть в состоянии воспроизвести эту эзотерическую «3-транзисторную энергонезависимую ячейку памяти с эффективным разрешением 14 бит, которая состоит из заряда, хранящегося на плавающем затворе МОП-транзистора, записанного с помощью горячего электрона впрыск и стирание с помощью туннельного оксидного затвора. Малый размер и низкое энергопотребление. "

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

Или этот метод, используя EEPROM в качестве аналогового устройства хранения:

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

Решение 3

Не аналог, вы можете использовать специальный чип АЦП прямо на защелку. Это могло бы избежать использования MCU, который сохраняет решение без кода, согласно OP.

Возможно, вам придется использовать различные дискретные логические чипы, часы или счетчики, чтобы заставить защелку работать.

Говорят, например, что этот чип Maxim работает без MCU (не одобрение продукта).

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

Вот еще один пример использования АЦП без MCU. Эта система намного сложнее, чем то, что нужно OP. Например, в качестве аудиозаписывающего устройства его частота дискретизации и требования к хранилищу намного превышают потребности ОП.

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

Решение 4

Вы можете использовать доступные недорогие цифровые потенциометры. Они доступны с постоянным хранилищем и просты в использовании.

Однако их разрешение не очень высокое, от 100 до 256 шагов. Вы можете использовать 5 последовательно для достижения эффективного разрешения 12 бит.

Может управляться напрямую от АЦП на входе, избегая MCU. В общем, вы бы использовали их как защелку. Защелка может быть проще.

Эта ссылка не предназначена для одобрения какого-либо продукта или дистрибьютора

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