Цитата:

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018 Catherine Chang, Linear Technology Design Note 1045 Введение Для высокоточного измерения микроамперных токов в положительном полюсе нагрузки требуется резистор с низким сопротивлением и сверхмаломощный усилитель с малым напряжением смещения. Максимальное напряжение смещения входа усилителя с нулевым дрейфом LTC2063 равно всего 5 мкВ, а ток потребления – 1.4 мкА, что делает его прекрасным выбором для создания законченного решения, измеряющего ток верхнего плеча (Рисунок 1).

Подробнее: Прецизионный измеритель тока верхнего плеча

Как можно увеличить быстродействие схемы, не жертвуя особо шумовыми характеристиками и ошибкой измерения? Может есть пусть дорогие, но более подходящие микросхемы для апгрейда? Какие именно?

И ещё. Где тут основной источник шумов?

Парни, что же это такое.
В который раз член сообщества РадиЛоцман задаёт вопрос по существу, и никто ему не отвечает. Вы что, перестали читать серьёзные статьи? Тогда для кого старается администрация? Вы хотя бы представляете, на сколько качественный продукт в виде перевода получаете по сути "за просто так". При том уровне рекламы, что есть на Радиолоцмане, это удивительно, что такие опусы на тему тех же микроамперных токов выходят в переводе на русском.

По существу. На мой взгляд, dimmich задал три вопроса:
- о погрешностях измерения,
- о шумах,
- о постоянной времени.

Источники погрешности измерений данной схемы перечислены в статье. Это: напряжение смещения входа усилителя (1-5мкВ), соответственно паразитный ток смещения и входной ток усилителя (по 1-3пА), ток полевого транзистора при нулевом напряжении на затворе (как бы ток утечки или паразитный ток в условно запертом состоянии, тут 1мкА при Vds=100В), очень низкое сопротивление шунта (100мОм) и в дополнение паразитные термопары в местах пайки и несогласованные сопротивления проводников печатной платы, различие температурных коэффициентов сопротивлений нагрузки и шунта. Но в диапазоне 100мкА - 250мА эти источники погрешностей можно назвать "аддитивными", т.е грубо говоря сложить и вычесть из выхода схемы как некую постоянную составляющую. Отсюда автор говорит о линейности и разбросе этой постоянной составляющей ошибки относительно всего диапазона измерений.

(Хотя среди метрологов существует спор относительно различия терминов "ошибка" и "погрешность" измерения вследствие характера их влияния на ряд величин, таких как "разрешающая" способность (или же дискретность), и точность измерения. По сути, они являются абсолютной и относительной характеристиками последней. Если не изменяет память, информацию об этом можно почерпнуть из теории электрорадиоизмерений, признаюсь, самом нелюбимом предмете. А то, что автор с такой тщательностью описывает не идеальные средства измерения и их паразитные свойства в совокупности схемы, говорит о его высокой квалификации).

Шумы. В статье прямо говорится о "приведенных ко входу низкочастотных шумах". Тут нужно понимать, что при изменений тока нагрузки от 100мкА до 250мА при напряжении источника питания 4,5В сопротивление нагрузки меняется от 45 кОм до 20 Ом. Вот так диапазон! А при напряжении источника питания 90В соответственно от 900 кОм до 400 Ом. Т.е. в нижнем диапазоне измеряемых токов разброс сопротивления нагрузки 45-900 кОм. Что это означает в плане наводок можно представить. Эти шумы естественно проходят на выход с коэффициентом усиления 1:100. Учитывая, что полоса выбранного ОУ при единичном усилении 20кГц сужается в это схеме до нескольких сот герц, увидеть на выходе более быстрое изменение тока всё равно не получится. Автор вообще пишет, что рекомендуется использовать эту схему для частот на входе не более 20Гц. И ничего, кстати, не сказано о характере источника питания. Если это батарея - хорошо. Если это импульсник с большими пульсациями - плохо. Тогда без ФНЧ просто не обойтись.

Кстати, тут в статье опечатка. В разделе "Ограничение скорости" должно быть "эту схему рекомендуется использовать для измерения сигналов с частотой 20 Гц или ниже".

Поэтому и стоит на выходе ФНЧ с полосой пропускания 1,5Гц: увидеть сигналы выше десятков герц без искажений всё равно не получится, а шумы и наводки в чуть более широком частотном диапазоне будут пробиваться на выход, грубо говоря.

Поэтому "увеличить быстродействие схемы, не жертвуя особо шумовыми характеристиками и ошибкой измерения" можно косвенно выбором усилителя с более широкой полосой пропускания и уменьшением постоянной времени фильтра на выходе. Но это, наверное, не спасёт от шумов в районе 50 Гц при малых токах нагрузки (сотни мкА), зато существенно усокрит отклик схемы. При больших же токах нагрузки (100-200мА) проблема шумов не так ярко выражена, если, конечно, рядом со схемой измерения нет мощных потребителей или радиопередатчиков :-)

А более подходящей микросхемой окажется любой усилитель с более низкими напряжением смещения и входными токами, более низким температурным дрейфом, более широкой полосой пропускания (параметр Gain Bandwidth Product), более широким диапазоном напряжений питания (но обязательно с настойщими входами Rail-to-Rail) и т.д.

Но диапазон измерений в этой схеме 100мкА - 250мА чрезвычайно широк. Отношение верхнего и нижнего пределов 0,25/0,0001 = 2500 раз. Представьте, какой разрядностью и какого класса должен быть АЦП, чтобы измерять близкий к постоянному ток нагрузки с дискретностью хотя бы 5мкА во всём диапазоне. Отчасти поэтому, наверное, автор построил схему с выходом по току. Меньше наводок по пути от усилителя к АЦП за счёт нагрузочного резистора (правда он великоват), а сменной резистора можно быстро поменять диапазон Vout за счёт варьирования отношения Rload/Rin. Но это догадки.

Также нужно сказать, что на РадиоЛоцмане много статей на тему "Датчик тока верхнего плеча". Кажется, переводчик этих материалов или писал диплом на эту тему, или уж очень благоволит к точным измерениям именно верхнего плеча :-).

Полагаю, подобного развёрнутого, доступного для понимания, объяснения мало кто решится дать. ТЭРЦ наука сложная прежде всего в силу того, что базируется на высшей математике, к которой, у многих отношение, мягко говоря, неоднозначное.
Вопросы, которые задал dimmich, не позволяют дать простые и подробные ответы.
По сути, так или иначе, но все шумы сводятся, в конечном счёте к тепловым.
Из ТЭРЦ известно, что мощность шумов в нагрузке, выделенных через одногерцевый фильтр, не зависит от сопротивления нагрузки. Она определяется только температурой.
Отсюда и тот диапазон фильтра в 1.5 Гц, который использует автор статьи.
Попутно замечу, что для снижения уровня таких шумов, обычно применяют охлаждение до сверхнизких температур (жидкий гелий, например).
Безоговорочно поддерживаю antonydublin в его оценке работы администрации сайта.
С уважением...

Лучше поздно, чем никогда...
Спасибо, antonydublin, 20 кГц исправили на 20 Гц