Следующая схема представляет собой активный преобразователь тока в напряжение с переключаемым усилением.

схема

Не показано: Вход инвертора удерживается на низком уровне через резистор 10 кОм, когда цепь включена, но не используется. Всякий раз, когда производится измерение (включая калибровочные измерения, когда IN плавает), этот резистор отключается.

Питание аналоговых переключателей и операционного усилителя составляет +/- 11,5 В. Типичный диапазон VOUT составляет от -10 В до + 10 В.

Цель

Схема используется для измерения токов в диапазоне наноампер. Несколько мВ на выходе является значительным. Постоянные смещения в действительности не являются проблемой, поскольку их можно легко откалибровать, измеряя выход с открытым входом и вычитая его из последующих измерений.

Каждая плата имеет 6 или более из этих цепей.

Компоненты

Выбранный операционный усилитель имеет очень малое (<10 пА) смещение и входные токи смещения и очень небольшое напряжение смещения (<1 мВ). Это AD8625AR .

SW1A и SW1B являются разными полюсами одного и того же переключателя CMOS (ADG1236). Они переключаются вместе, чтобы выбрать резистор обратной связи, который определяет коэффициент усиления преобразователя. Максимальный ток утечки составляет 1 нА на входе и выходе, вкл. Или выкл. Переключатель не показан (для удержания инвертирующего входа на низком уровне через резистор 10 кОм) имеет аналогичную производительность. Типичные токи утечки очень малы (<0,1 нА).

проблема

Проблема, с которой я сталкиваюсь, заключается в том, что в некоторых партиях плат некоторые (или все) из этих цепей имеют большие смещения, которые медленно затухают при включении питания. Тем не менее, большинство плат идеально стабильны с небольшими смещениями.

Типичное смещение VOUT с плавающим IN составляет <1 мВ. На оголенных досках смещение может достигать 120 мВ.

При включении поврежденных плат смещение будет медленно (по прошествии нескольких дней) стабилизироваться до ~ 5 мВ. После отключения питания смещение снова накапливается, поэтому при включении питания через пару дней после отключения оно снова становится высоким.

На каждой плате есть несколько таких схем. В первой партии из 5 досок все они были затронуты. В следующей партии никто не пострадал. В самой последней партии каждая плата имеет одну затронутую цепь, и она не всегда одна и та же.

В худшем случае максимальные токи утечки всех аналоговых переключателей будут равны 1,2 нА, что приведет к смещению 12 мВ при максимальном значении усиления, поэтому я не думаю, что это может объяснить все смещение, которое я вижу.

Откуда еще может исходить напряжение смещения? Есть ли общий дефект платы, который привел бы к такому поведению?

Пара теорий здесь:

• Насколько ваши блоки питания работают симметрично?
  Если одна шина подходит раньше другой, вы можете иметь ненулевое выходное напряжение от операционного усилителя в течение очень короткого периода времени.
• Вы внедрили все методы компоновки печатных плат, необходимые для таких высоких импедансов? Как минимум, вам понадобятся защитные кольца на всех узлах со сверхвысоким сопротивлением.
  В спецификации National (Now TI) LMC6082 содержится хорошее обсуждение того, что необходимо для того, чтобы ток утечки на плате был достаточно низким, чтобы это не было проблемой.

Скорее всего, это не устранит вероятность возникновения проблем с диэлектрическим впитыванием, как описано в ответе @ RocketSurgeon.
Хороший и простой способ проверить его ответ - снять с крышки одну из заглушек на плохой доске и повернуть ее вспять. Если смещение перевернуто в другом направлении, это проблема диэлектрического впитывания (поскольку постоянный заряд в крышке будет иметь одну полярность). Если напряжение смещения не изменяется, проблема не в конденсаторе.

Одна вещь, которую я не вижу, объясняющая проблему диэлектрического впитывания, это то, почему заряд, кажется, возвращается, когда цепь отключена, и исчезает, когда он запитан. Поскольку элемент, который разряжает конденсатор, постоянно подключен через крышку (например, C1 || R2, C2 || R1), вклад любого тока, вытекающего из крышки, должен быть постоянным и не зависеть от напряжения питания.

Единственное, что мне приходит в голову, - это то, что где-то есть что-то гигроскопическое, и оно вводит ток смещения. Когда вы включаете питание платы, она нагревается и со временем вытесняет влагу. Выключите доску, и она начнет поглощать влагу.

Один комментарий у меня есть, я не понимаю , почему у вас есть как SW1A и SW1B. Вы можете полностью избавиться от SW1B. Просто свяжите обе пары R / C вместе и к выходу операционного усилителя. Когда выбран один из наборов колпачка / резистора, другой просто будет медленно разряжаться. Пока один конец находится в плавающем состоянии (что достигается SW1A), напряжение на другом конце не имеет значения.

Теория 1. Замочение. Это эффект диэлектрического поглощения. АКА замочить . Источником энергии является заряд конденсаторов, который передается от испытательной установки производителя конденсаторов. Пленочные конденсаторы в течение нескольких минут тестировались на заводе под высоким напряжением, затем подвергались динамометрической зарядке и хранились с открытыми выводами.

В течение нескольких месяцев остаточная поглощенная энергия (не обязательно заряд, но может быть также механическим старением / сушкой / осаждением) перемещается изнутри диэлектрических слоев на пластины. Скорость может быть очень медленной, скажем, постоянная времени полипропилена умножится на тысячу (несколько лет для полной разрядки).

Этот эффект мало изучен. Он влияет только на экстремальные цепи, подобные вашей, с пластиковыми крышками и операционными усилителями TeraOhm. Лучший отчет об эффекте сделан Бобом Пизом из Nat Semi, когда он работал с тефлоновыми и рА-токами.

Лекарством от этого может быть временное воздействие на источник питания гамма-излучения умеренной интенсивности в течение нескольких часов, чтобы рассеять все поглощенные заряды без физического контакта с деталями.

Еще один способ - купить старые конденсаторы, которые хранились несколько месяцев дольше. Сравните даты крышек от хорошей против плохой партии. Бьюсь об заклад, старые конденсаторы лучше.

Или, при заказе шапки, попросите те, которые были сохранены ближе к открытому окну в летнее время. Или положите собранные платы без питания на сухой токопроводящий антистатический коврик и нагрейте до 150 ° C в течение часа (если чистота цепи pA не запрещает любые подобные манипуляции).

Теория 2. Термопары индуцированного тока. Ток тремосцепления может быть вызван разностью температур на стыке двух разных металлов. Чтобы определить, так ли это, погрузите доску в масляную ванну с перемешиванием и сравните производительность с таковой на свободном воздухе.