¿Cómo lograr una muestra analógica de deriva cero y mantenerla durante horas?

Esta llamada opamp de "deriva cero" cae .001V / seg, a una temperatura de 85C con un límite de 1 uF. Si estoy leyendo la especificación correctamente, ¡eso es 3.6V / hora!

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

¿Existe algún método para almacenar un V de baja corriente durante aproximadamente 5 horas con deriva o caída dentro de mi resolución deseada de aproximadamente 250 ppm, o equivalente a 12 bits?

"Baja corriente" significa escala mA o uA.

La frecuencia de muestreo es entre una vez por segundo y una vez por 5 horas.

Prefiero permanecer en el dominio analógico, porque quiero explorar y ampliar mi conocimiento analógico.

La solución debe ser práctica y utilizar componentes comúnmente disponibles.

Las soluciones digitales están bien, pero deben estar libres de código, de modo que sea accesible para quienes no sean codificadores y no requiera una computadora para implementar, por lo que es accesible para las personas que no poseen una computadora (como los adolescentes con desventajas económicas que mentores) .

No solicita números de pieza específicos, solo el método básico.

Actualización:
el fabricante confirmó que mi estimación de caída por hora es correcta. Según el fabricante, la caída de corriente está influenciada en gran medida por la corriente de polarización de entrada del amplificador buffer y cualquier fuga que pueda ocurrir a través del interruptor, no solo la fuga normal del capacitor. https://e2e.ti.com/support/amplifiers/precision_amplifiers/f/14/p/641041/2365384#2365384

Bueno, parece que hay soluciones, aunque es una explosión del pasado ...

Una encuesta de dispositivos de memoria analógica (desde 1962)

"El transpolarizador, un análogo electrostático del transfiuxor más conocido ..."

Para una solución más moderna, un micro con ADC y DAC parece el camino a seguir. Además, a diferencia de las soluciones analógicas, es mucho más probable que sea estable con la temperatura, lo que siempre es una buena ventaja ...

Sobre mayúsculas: hay varios problemas.

• El valor del condensador depende de la temperatura, por lo tanto, con una cantidad constante de carga en su límite, el voltaje variará con la temperatura. El efecto será pequeño o enorme, según el tipo de tapa.

• La fuga del condensador depende mucho de la temperatura (para electrolíticos)

• X7R es un micrófono piezoeléctrico.

• La absorción dieléctrica significa que usted carga su tapa, luego la desconecta, espera un poco, ¡y el voltaje en ella ahora es diferente! Y depende del voltaje que estaba allí antes de cargarlo (o descargarlo). Además, para las tapas grandes destinadas al desacoplamiento del suministro, el efecto es absolutamente inofensivo, por lo que a nadie le importa y, por lo tanto, no hay especificaciones. No sé si depende de la temperatura y el envejecimiento, pero no hay razón para que no sea así. Solo obtendrá una especificación útil para las tapas que están destinadas a integradores de alta precisión y cosas por el estilo.

Recuerdo haber medido las fugas en una tapa 470µF 6V3 Panasonic FR. Lo cargué a 5V durante unos minutos, luego lo medí cada pocos minutos. El voltaje caería rápidamente debido a DA, luego se estabilizó a alrededor de 4V. Dejé la tapa en un estante durante una semana y volví a medir. La fuga calculada estaba en los nanoamperios, pero tendría que mantenerla en el voltaje objetivo durante un tiempo (como al menos varias horas, si no días) para superar la absorción dieléctrica ... por lo que sería completamente inútil en esta aplicación .

Consigue un potenciómetro motorizado. Para muestrear, use un opamp para llevar la diferencia a cero, para mantenerlo no lo mueva. La precisión probablemente será bastante baja, pero no hay deriva.

Con componentes analógicos estándar, la respuesta a esto sería no, no realmente.

Por supuesto, con condensadores lo suficientemente grandes u otros elementos de almacenamiento, puede mantener el nivel dentro de un diferencial deseado durante un período prolongado, pero siempre habrá alguna pérdida con el tiempo. Además, el acto de extraer información del dispositivo de almacenamiento elimina la energía de ese dispositivo.

Teóricamente, con un circuito superconductor, aislado adecuadamente de cualquier campo magnético externo, podría establecer una corriente indefinida. Pero nuevamente, medir esa corriente implicaría la eliminación de energía.

ADICIÓN

Otra alternativa podría ser magnetizar "permanentemente" algún material o sustancia en presencia de un sensor de efecto hall. Con el material adecuado, puede almacenar ese "nivel" durante mucho tiempo.

Pero, por supuesto, sería mucho más barato y más fácil solo hacerlo digitalmente.

Sin embargo, no necesitas un micro.

El siguiente es un circuito híbrido analógico / digital Peak Detect and Hold.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El circuito usa un seguidor DAC para reducir el nivel de voltaje de un contador para que coincida con el voltaje en el condensador. Una vez que el valor DAC coincide, el conteo se detiene y el voltaje de salida se mantendrá mientras la alimentación esté encendida o hasta que se envíe la señal BORRAR. El límite ahora solo necesita mantener el nivel máximo por el tiempo que le tome al contador aumentar ese voltaje. Obviamente, la granularidad de la salida depende del número de bits en el contador / DAC.

Un verdadero circuito de "Muestra y retención" requeriría una entrada adicional como se muestra a continuación, o alguna forma de comparador de ventanas para detectar cuándo el contador está dentro de un paso del valor.

^{simular este circuito}

Si la velocidad de rotación del contador / DAC es más rápida que la velocidad de rotación de su señal original, no necesita el muestreador analógico.

Si bien es mucho más fácil en digital, ciertamente puede hacerlo en analógico con una selección cuidadosa de piezas.

Esencialmente, necesita tres componentes de alto rendimiento:

• Un condensador de baja fuga
• Un interruptor analógico de baja fuga
• Un amplificador operacional de baja polarización de entrada para su búfer de salida

Olvídate de los condensadores cerámicos convencionales si planeas aguantar durante horas. Su mejor apuesta es un condensador de película de polipropileno. Bob Pease escribió un gran artículo sobre cómo caracterizar su tasa de fuga: ¿Qué es todo esto de la fuga de condensadores, de todos modos? Está en el orden de milivoltios por día, lo que probablemente sea suficiente para su aplicación.

El cambio es una parte de esto que a menudo se pasa por alto. Descubrirá que incluso los mejores conmutadores analógicos de estado sólido disponibles en el mercado tienen fugas en el rango de unos pocos picoamperios. Una tasa de fuga de 10 pA significa que para un límite de 1uF, drenará 180mV durante un período de cinco horas. Esto puede o no ser aceptable para usted. Si necesita hacerlo mejor, una solución mejor es un relé de láminas, que tiene una fuga esencialmente insignificante debido al hecho de que realmente pone un espacio de aire entre los contactos.

En términos de opamps de corriente de polarización de entrada baja, hay bastantes opciones disponibles. Recientemente utilicé el LMP7721 de TI en un diseño de alta impedancia. Tiene un Ib máximo de 20 fA a temperatura ambiente y 900 fA a 85 ° C.

Por lo tanto, podemos imaginar con bastante facilidad un diseño que incorpora una tapa de polipropileno, un relé de láminas y un amortiguador de baja Ib. Imaginemos que usamos:

• Un condensador de polipropileno Vishay de 0.33uF , que tiene una constante de tiempo RC por fuga del orden de$4 \cdot 10^5$ segundos a temperatura ambiente.

• El mejor relé de láminas de su clase , con una resistencia de circuito abierto de$10^{14} \Omega$.

• El opamp LMP7721 mencionado anteriormente .

Con los componentes anteriores a temperatura ambiente, tendría las siguientes contribuciones de error después de 5 horas:

• Una caída del 4.5% de la constante de tiempo RC del límite.
• Deriva esencialmente insignificante del relé de lámina
• Deriva esencialmente insignificante del búfer.

Esto supone que tiene un diseño adecuado de baja impedancia (por ejemplo: quitó la máscara de soldadura de la placa, use un anillo de protección accionado).

Además, el valor RC para la tapa de polipropileno es el peor de los casos: el mundo real es probablemente mejor. Corrección: ese es un valor típico. Sin embargo, como Pease encontró en el artículo vinculado anteriormente, una tapa de polipropileno después del remojo puede tener un tiempo constante del orden de años. Por lo tanto, esto requerirá algo de experimentación y probablemente binning.

Entonces, ciertamente es posible hacer esto en analógico, aunque probablemente no sea práctico cuando la alternativa es digitalizar la salida.

He visto esto hecho con un relé de láminas, un amplificador operacional AD545 (ahora hay mejores) y un gran condensador de polipropileno de 100 voltios. El fabricante de la placa puede hacer cortes en la placa que funcionen mejor que los anillos de protección solos. El relé NO era del tipo moldeado con epóxido, sino de tipo "marco abierto". El amplificador operacional estaba en una lata, pero eso no será posible en estos días.

Esta plataforma fue estable durante días.

Solución 1

Si conoce la pendiente de fuga de su gorra, puede "completar" la gorra repetidamente a intervalos programados, para compensar la caída.

Sin embargo, la pendiente es probablemente no lineal, por lo que la cantidad de relleno sería no lineal. Es posible que la cantidad sea un porcentaje simple del nivel de carga del límite, lo que simplificaría las cosas.

Solución 2

Si tiene acceso a la instalación de fabricación de chips, es posible que pueda replicar esta celda de almacenamiento analógica no volátil de 3 transistores esotérica con una resolución efectiva de 14 bits, que consiste en la carga almacenada en una puerta flotante de transistor MOS, está escrita por medio de electrones calientes inyección y borrado por medio de túnel de puerta de óxido. Tamaño pequeño y bajo consumo de energía ".

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

O esta técnica, usando EEPROM como dispositivo de almacenamiento analógico:

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

Solución 3

Aunque no sea analógico, podría usar un chip ADC dedicado directamente a un pestillo. Eso podría evitar el uso de una MCU, que mantiene la solución libre de código, según el OP.

Es posible que tenga que usar varios chips lógicos discretos, relojes o contadores, para que el bloqueo funcione.

Se dice que este chip Maxim, por ejemplo, funciona sin una MCU (no un respaldo del producto).

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

Aquí hay otro ejemplo de uso de un ADC sin MCU. Este sistema es mucho más complejo de lo que necesita el OP. Por ejemplo, como una grabadora de audio, su frecuencia de muestreo y los requisitos de almacenamiento superan con creces las necesidades del OP.

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

Solución 4

Puede utilizar potenciómetros digitales de bajo costo y comúnmente disponibles. Están disponibles con almacenamiento persistente y son fáciles de usar.

Sin embargo, su resolución no es muy alta, oscila entre 100 y 256 pasos. Puede usar 5 en serie para lograr una resolución efectiva de 12 bits.

Podría ser conducido directamente desde un ADC en la entrada, evitando una MCU. Básicamente, los usarías como un pestillo. Un pestillo podría ser más fácil.

Este enlace no pretende respaldar ningún producto o distribuidor

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