Следующая схема представляет собой активный преобразователь тока в напряжение с переключаемым коэффициентом усиления.
Не показано: на инвертирующем входе поддерживается низкий уровень через резистор 10 кОм, когда схема включена, но не используется. Всякий раз, когда выполняется измерение (включая калибровочные измерения, где IN имеет плавающее значение), этот резистор отключается.
Напряжение питания на аналоговых переключателях и операционных усилителях составляет +/- 11,5 В. Типичный диапазон VOUT составляет от -10 В до +10 В.
Схема используется для измерения токов в наноамперном диапазоне. Несколько мВ на выходе имеют значение. Постоянные смещения на самом деле не проблема, так как их можно легко откалибровать, измерив выход с открытым входом и вычтя его из последующих измерений.
Каждая плата имеет 6 или более таких цепей.
Выбранный операционный усилитель имеет очень малые (< 10 пА) входные токи смещения и смещения и очень малое напряжение смещения (< 1 мВ). Это AD8625AR .
SW1A и SW1B — разные полюса одного и того же КМОП-переключателя (ADG1236). Они включаются вместе для выбора резистора обратной связи, определяющего коэффициент усиления преобразователя. Максимальный ток утечки составляет 1 нА на выводах истока и стока, включенных или выключенных. Не показанный переключатель (для поддержания низкого уровня на инвертирующем входе через резистор 10 кОм) имеет аналогичные характеристики. Типичные токи утечки очень малы (< 0,1 нА).
Проблема, с которой я сталкиваюсь, заключается в том, что в некоторых партиях плат некоторые (или все) эти схемы имеют большие смещения, которые медленно затухают при включении питания. Тем не менее, большинство досок всегда абсолютно стабильны с небольшими смещениями.
Типичное смещение на VOUT с плавающим входом < 1 мВ. На поврежденных платах смещение может достигать 120 мВ.
Когда поврежденные платы включены, смещение будет медленно (через несколько часов) стабилизироваться до ~ 5 мВ. После отключения питания смещение снова накапливается, поэтому при включении через пару дней бездействия оно снова становится высоким.
На каждой плате есть куча этих схем. В первой партии из 5 плат были затронуты все. В следующей партии никто не пострадал. В самой последней партии каждая плата имеет одну затронутую схему, и она не всегда одна и та же.
В худшем случае максимальные токи утечки всех аналоговых переключателей будут 1,2 нА, что приведет к смещению в 12 мВ при максимальном коэффициенте усиления, поэтому я не думаю, что это может объяснить все смещение, которое я вижу.
Откуда еще может быть напряжение смещения? Есть ли общий дефект платы, который может привести к такому поведению?
Пара теорий здесь:
Это, скорее всего, не решит проблему с диэлектрической проницаемостью, как обсуждалось в ответе @RocketSurgeon.
Хорошим и простым способом проверить его ответ было бы отпаять одну из крышек на плохой плате и перевернуть ее. Если смещение перевернуто в другом направлении, это проблема диэлектрической пропитки (поскольку постоянный заряд в крышке будет иметь одну полярность). Если напряжение смещения не меняется, проблема не в конденсаторе.
Одна вещь, которую я не вижу в объяснении проблемы проникновения диэлектрика, заключается в том, почему заряд, кажется, возвращается, когда цепь обесточена, и уходит, когда на нее подается питание. Поскольку элемент, который разряжает конденсатор, непрерывно подключен к цоколю (например, C1||R2, C2||R1), вклад любого тока, вытекающего из цоколя, должен быть постоянным и не зависеть от напряжения питания.
Единственное, что мне приходит в голову, так это то, что где-то есть что-то гигроскопичное, и оно впрыскивает ток смещения. Когда вы включаете плату, она нагревается и со временем вытесняет влагу. Выключите доску, и она начнет впитывать влагу.
У меня есть один комментарий: я не понимаю, почему у вас есть и SW1A, и SW1B. Вы можете полностью избавиться от SW1B. Просто соедините обе пары R/C вместе и с выходом операционного усилителя. Когда выбран один из наборов конденсаторов/резисторов, другой будет просто медленно разряжаться. Пока один конец плавающий (что достигается переключателем SW1A), напряжение на другом конце не имеет значения.
Теория 1. Замачивание. Это эффект диэлектрического поглощения. АКА замачивание . Источником энергии является заряд конденсаторов, поступающий от испытательной установки производителя конденсаторов. Пленочные конденсаторы были испытаны высоким напряжением в течение нескольких минут на заводе, затем разряжены и хранились с разомкнутыми выводами.
В течение нескольких месяцев остаточная поглощенная энергия (не обязательно заряд, но может быть и механического старения/высыхания/осаждения) дрейфует изнутри диэлектрических слоев к пластинам. Скорость может быть очень низкой, скажем, постоянная времени полипропилена умножается на тысячу (несколько лет для полной разрядки).
Этот эффект мало изучен. Это влияет только на экстремальные схемы, такие как ваша, с пластиковыми колпачками и операционными усилителями TeraOhm. Лучший отчет об эффекте сделан Бобом Пизом из Nat Semi , когда он работал с тефлоном и токами pA.
Лекарством от этого может быть временное воздействие на обесточенную цепь источника гамма-излучения умеренной интенсивности в течение нескольких часов, чтобы рассеять все поглощенные заряды без физического контакта с деталями.
Другой метод — покупка «старых» конденсаторов, которые хранились на несколько месяцев дольше. Сравните даты крышек из хорошей и плохой партии. Бьюсь об заклад, старая партия конденсаторов лучше.
Или при заказе шапок просите те, которые летом хранились ближе к открытому окну. Либо положить собранные обесточенные платы на сухой токопроводящий антистатический коврик и прогреть до 150С в течение часа (если чистота pA-цепи не запрещает подобные манипуляции).
Теория 2. Индуцированный ток термопары. Ток термосвязи может быть вызван разницей температур на стыке двух разных металлов. Чтобы определить, так ли это, погрузите плату в ванну с перемешиваемым маслом и сравните характеристики с платой на открытом воздухе.
пометки
Стивен Т. Снайдер
Фотон
пометки
Стивен Т. Снайдер