Cómo hacer un sumidero de corriente constante en el rango pA-nA

Tengo la tarea de hacer un sumidero de corriente constante para un dispositivo de prueba. Debe generar 4 valores separados, -10pA -100pA -1nA -10nA. Necesito que la corriente dure al menos 10-20 segundos, preferiblemente hasta 100 segundos si es posible. Estos valores actuales son muy pequeños, por lo que no podré usar un espejo de corriente simple con transistores.

La razón por la que necesito hacer este dispositivo es que debe ser mucho más pequeño que un instrumento de banco de pruebas, creo que es portátil, y solo necesita trabajar para esos valores actuales específicos. Tampoco sé la carga, esta es una fuente, ¿no debería importar?

Hasta ahora, todo lo que se me ocurrió es usar una rampa de voltaje para cargar un condensador (Ic = C dv / dt) para que pueda emitir la corriente. Usaría un interruptor mecánico para cambiar el valor de capacitancia para que el tiempo de rampa se mantenga igual y la corriente se pueda cambiar entre los 4 valores. La forma de onda necesitaría ser un diente de sierra para volver a subir en ~ 1 segundo. No sé cómo hacer un diente de sierra o realmente cualquier rampa de voltaje y necesito que sea lineal para obtener la corriente adecuada de la tapa.

Por favor, dame alguna sugerencia y haz preguntas sobre cualquier otra cosa que olvidé decirte, me gustaría resolver esto pronto.

EDITAR: espero que sea un poco más claro

operational-amplifier current-source integrator

— Alex K
fuente

Su título pregunta cómo hacer una fuente de corriente constante y su texto dice que desea hacer un probador para un dispositivo que emite corriente, lo que significa que también está obteniendo una corriente. Cual es ¿Qué tiene que ver una rampa con ella? Por favor arregla la pregunta. Sería una buena idea dar un poco de contexto para que podamos entender lo que realmente está tratando de hacer.

— Transistor

Tienes que mostrar un esquema. Tengo mis dudas sobre el uso de una rampa de voltaje para esto, no veo cómo funcionaría, así que muestre un esquema. También debe investigar cómo otros diseños (como el equipo de medición) hacen esto en lugar de intentar crear su propia solución, eso es especialmente cierto si no tiene experiencia en el campo y / o el diseño de circuitos.

— Bimpelrekkie

Se puede hacer una fuente de corriente (o sumidero) con un amplificador operacional de baja Ib. En el rango del que habla no es particularmente difícil (en un laboratorio limpio a temperatura ambiente). Pero hay muchas palabras allí que enturbian las aguas. ¿Quizás intentar ser más claro?

— Spehro Pefhany

Sí, parece que tienes algún tipo de idea (¿parece usar un suministro de voltaje para cargar condensadores?) Cómo resolver eso, pero realmente, encontrarás que los suministros de voltaje no son inherentemente más fáciles de construir que los suministros actuales, y que construir condensadores pequeños y precisos es difícil, y construir algo con interruptores mecánicos donde la capacitancia parásita de la placa y los componentes no juegan un papel importante en el rango pA es aún más desafiante. Entonces, tal vez describa lo que quiere resolver con más detalle y luego, claramente marcado y separado, hable sobre su enfoque actual.

— Marcus Müller

¿Sabes cuál es tu carga?

— Voltaje pico

Respuestas:

Lineal tiene una nota de aplicación de fuente de corriente bidireccional de precisión Nanoamp que puede ser de interés.

Figura 1. Este circuito genera y hunde solo nanoamperios de corriente con precisión debido a la baja corriente de polarización de entrada de los amplificadores operacionales CMOS. Un amplificador de diferencia amortiguado y un integrador fuerzan el voltaje a través de una resistencia establecida de 10 megaohmios a ser 1/1000 del voltaje de entrada de control en cualquier polaridad.

Es difícil decir si esto es adecuado para su aplicación debido a la falta de información suministrada. Tiene la ventaja de no requerir generación de rampas o condensadores de precisión.

— Transistor
fuente

el error dado es de aproximadamente 10pA ... esa es la cantidad de corriente que necesitaría en el extremo inferior. ¿Podría modificarse para generar esa poca corriente?

— Alex K

No tengo otra idea que no sea en los niveles que le interesan que la impedancia de entrada de los amplificadores operacionales sería crítica, pero también tendría ese problema con el integrador. En mi búsqueda, encontré la fuente de corriente de Femto ampere que debería hacer que sus problemas parezcan fáciles.

— Transistor

@AlexK bueno, en algún momento te encuentras con problemas de precisión debido a las corrientes de polarización y los cambios de temperatura y otras cosas, pero seguro, aumentan esos 10 MΩ. Tenga en cuenta que en algún momento, realmente tendrá que comenzar a pensar en la inducción de RF y tal, porque las etapas de entrada de los opamps inevitablemente tienen algunas características de rectificación y las cosas se ponen feas cuando superpone una RF rectificada en una corriente pA, incluso si su carga no se preocupa por RF en sí.

— Marcus Müller

@AlexK Puede usar un amplificador operacional mejor, algunos están disponibles con 25fA max Ib a temperatura ambiente, sin embargo, el voltaje máximo de la fuente de alimentación es menor y Vos es mayor. Incrementar los 10M a los 100M es una buena idea.

— Spehro Pefhany

Considera esto

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Suponga 0.5 voltios Vbe para Ic = 1uA, para X = 1 área del emisor. Suponga que el N (factor de idealidad de diodo) permanece 1, luego a 10pA, o 100,000 por debajo de 1uA, el Vbe será menor en 0.058volts por década * log10 (100,000) o

Vbe (10pA) = 0.500 - (0.058v * 5) = 0.500 - 0.290 = 0.210 voltios

cuál sería el Vbe de Q1. Suponiendo que los dos transistores son ambos área x1 (siguen siendo del mismo tamaño), Vbe de Q2 sigue siendo 0.5 voltios. La base de Q1 está a 0.500 voltios, y el emisor de Q1 es 0.290 voltios. Ese 0.290 voltios está a través de la resistencia R1 de 10MegOhm desde Emitter a GND. La corriente a través de R1 es de 100 nanoamperios / voltios o 29 nanoamperios.

Necesitamos reducir esa corriente en más de 1,000X, a sus 10picoAmps solicitados.

Una forma de llegar allí es usar un divisor resistivo entre la parte superior de Q1 y la base de Q2. Pero eso es un Kluge.

Parte del desafío, para cualquier precisión, es 10pA * 10MegOhm es 1e-11 * 1e + 7

o 1e-4 = 100 microvoltios.

Así que estoy pensando que puede usar los OpAmps para generar 1nanoAmp actual, y alimentar eso en 100: x copiadora-divisor actual, por lo tanto

esquemático

^{simular este circuito}

Aquí está la teoría y ejemplos de Widlar Current Mirror. Quizás útil.

https://en.wikipedia.org/wiki/Widlar_current_source

— analogsystemsrf
fuente

¿Podría agregar algunos comentarios más, cómo funcionaría? No puedo ejecutar esa simulación.

— Alex K

Ajuste el Itol del simulador, según sea necesario. Examine también qué factor de N se usa en Ic = e ^ (qv / Nkt). Podría ser que el modelo tenga un cambio entre N = 1 y N = 2 entre 1uA y 10pA.

— analogsystemsrf