¿Por qué algunos de mis circuitos convertidores IE tienen un gran voltaje de compensación?

El siguiente circuito es un convertidor activo de corriente a voltaje con ganancia conmutable.

Esquemático

Convertidor de corriente a voltaje de amplificador operacional con interruptor de ganancia

No se muestra: la entrada inversora se mantiene baja a través de una resistencia de 10 K cuando el circuito está encendido pero no se usa. Cada vez que se realiza una medición (incluidas las mediciones de calibración donde IN está flotando), esa resistencia se desconecta.

Los suministros en los interruptores analógicos y el opamp son de +/- 11,5 V. El rango típico de VOUT está entre -10 V y +10 V.

Propósito

El circuito se utiliza para medir corrientes en el rango de nanoamperios. Unos pocos mV en la salida son significativos. Las compensaciones constantes no son realmente un problema, ya que se pueden calibrar fácilmente midiendo la salida con una entrada abierta y restándola de las mediciones posteriores.

Cada tablero tiene 6 o más de estos circuitos.

Componentes

El amplificador operacional seleccionado tiene corrientes de entrada de compensación y polarización muy pequeñas (< 10 pA) y un voltaje de compensación muy pequeño (< 1 mV). Es un AD8625AR .

SW1A y SW1B son polos diferentes del mismo interruptor CMOS (ADG1236). Se intercambian para seleccionar la resistencia de retroalimentación, que determina la ganancia del convertidor. La corriente de fuga máxima es de 1 nA en los pines de fuente y drenaje, encendido o apagado. El interruptor que no se muestra (para mantener baja la entrada inversora a través de una resistencia de 10K) tiene un rendimiento similar. Las corrientes de fuga típicas son muy pequeñas (< 0,1 nA).

Problema

El problema que tengo es que en algunos lotes de placas, algunos (o todos) de estos circuitos tienen grandes compensaciones que decaen lentamente cuando se encienden. Sin embargo, la mayoría de las tablas son perfectamente estables en todo momento, con pequeños desplazamientos.

Un desplazamiento típico en VOUT con IN flotante es < 1 mV. En los tableros afectados, la compensación puede ser tan alta como 120 mV.

Cuando se encienden las placas afectadas, la compensación se estabilizará lentamente (después de horas de días) en ~5 mV. Después de que se corta la energía, la compensación se acumula nuevamente, por lo que cuando se enciende después de un par de días de estar apagado, vuelve a estar alta.

Cada tablero tiene un montón de estos circuitos. En el primer lote de 5 tableros, todos estaban afectados. En el siguiente lote, ninguno resultó afectado. En el lote más reciente, cada placa tiene un circuito afectado y no siempre es el mismo.

En el peor de los casos, las corrientes de fuga máximas de todos los interruptores analógicos serían de 1,2 nA, lo que daría como resultado una compensación de 12 mV en la configuración de ganancia más alta, por lo que no creo que eso pueda explicar toda la compensación que veo.

¿De dónde más podría provenir el voltaje de compensación? ¿Hay algún defecto común en la placa que pudiera resultar en este tipo de comportamiento?

¿Qué opamp estás usando?
Es un AD8625AR . Los otros canales se utilizan para otros fines (búfer de salida para este circuito y algunas otras cosas)
¿Qué tipo de capacitores estás usando? Mi pensamiento inmediato fue "efecto de condensador extraño" ... La respuesta de Rocket Surgeon ofrece una posibilidad si está utilizando condensadores de película plástica. Si está utilizando cerámica, otro efecto es la piezoelectricidad debido a la tensión residual en el condensador del proceso de soldadura. Pero no soy un experto en esto y no sé si 100 mV de este efecto es razonable o no.
¿Está su PCB limpia de todos los residuos de fundente? ¿Qué construcción son C1 y C2? Una fotografía de la parte relevante de la placa de circuito podría dar pistas.
@markrages, C1 y C2 son tapas de cerámica. Tuvimos problemas con los PCB que tenían residuos de fundente en nuestro primer lote de prototipos. Resultó en una corriente de fuga medible que varió mientras barría un voltaje controlado. El proveedor reconoció el problema y lo abordó. Inspeccioné estas placas con luz natural y UV de 365 nM en una habitación semioscura, y no hay residuos de fundente visibles.

Respuestas (2)

Un par de teorías aquí:

  • ¿Qué tan seguro está de que sus fuentes de alimentación estén subiendo simétricamente?
    Si un riel aparece antes que el otro, es posible que tenga voltajes de salida distintos de cero del amplificador operacional durante un período de tiempo muy corto.
  • ¿Ha implementado todas las prácticas de diseño de PCB necesarias para impedancias tan altas? Como mínimo, necesitará anillos de protección en todos los nodos de ultra alta impedancia.
    La hoja de datos de National (Now TI) LMC6082 tiene una buena discusión de lo que se requiere para que las corrientes de fuga de la placa sean lo suficientemente bajas como para que no sean un problema.

Es probable que esto no aborde la posibilidad de que tenga problemas de absorción dieléctrica, como se explica en la respuesta de @RocketSurgeon.
Una manera buena y fácil de probar su respuesta sería desoldar una de las tapas de una placa defectuosa e invertirla. Si el desplazamiento se invierte en la otra dirección, es un problema de absorción dieléctrica (porque la carga persistente en la tapa tendrá una sola polaridad). Si el voltaje de compensación no cambia, el problema no es el capacitor.

Una cosa que no veo que explique el problema del remojo dieléctrico es por qué la carga parece volver cuando el circuito está apagado y desaparece cuando está encendido. Dado que el elemento que descarga el capacitor está conectado continuamente a través de la tapa (p. ej., C1||R2, C2||R1), la contribución de cualquier corriente que se escape de la tapa debe ser constante y no debe verse afectada por el voltaje de suministro.

Lo único que me viene a la mente sería que hay algo higroscópico en algún lugar e inyecta una corriente compensada. Cuando enciende la placa, se calienta y elimina la humedad con el tiempo. Apague el tablero y comenzará a absorber la humedad.

Un comentario que tengo es que no veo por qué tiene SW1A y SW1B . Puede deshacerse completamente de SW1B. Simplemente conecte ambos pares R/C juntos y a la salida del amplificador operacional. Cuando se selecciona uno de los conjuntos de tapa/resistencia, el otro simplemente se descargará lentamente. Siempre que un extremo esté flotando (lo que se logra mediante SW1A), el voltaje en el otro extremo es irrelevante.

RE: Las fuentes de alimentación, no estoy seguro de que lo sean. ¿Monitorear los voltajes de los rieles en el amplificador operacional con un alcance durante el encendido sería la mejor manera de medir esto?
RE: Diseño; hay grandes espacios libres (1 mm) para las redes de alta impedancia, pero no hay anillos de protección. En el peor de los casos, la fuga sería del riel de 12 V a este circuito y requiere una resistencia de 10 ^ 9 ohmios para exceder 1 nA. El único voltaje variable cerca del circuito es la entrada a la sección de control de un circuito relacionado. Pruebo la fuga de eso realizando un barrido de voltaje de rango completo mientras monitoreo la salida de este convertidor IE. Anteriormente medimos las fugas donde el fundente permanecía en la placa y la prueba lo detectó. Aquí, la compensación no varía durante el barrido de voltaje de control, solo con el tiempo.
RE: Humedad; ¡Buena idea! Pondré una placa en uno de nuestros desecadores durante uno o dos días y veré si algo cambia.
@ Series8217 - ¡El flujo es higroscópico! Ese puede ser el posible componente sensible a la humedad.

Teoría 1. Remojo. Este es el efecto de absorción dieléctrica. También conocido como remojo . La fuente de energía es una carga de condensadores transportada desde la configuración de prueba del fabricante del condensador. Los condensadores de película han sido probados con alto voltaje durante unos minutos en la fábrica, luego descargados y almacenados con cables abiertos.

Durante unos pocos meses, la energía residual absorbida (no necesariamente la carga, pero también puede ser envejecimiento/secado/asentamiento mecánico) se desplaza desde el interior de las capas dieléctricas hacia las placas. La velocidad puede ser muy lenta, digamos constante de tiempo del polipropileno multiplicada por mil (pocos años para descarga completa).

Este efecto está poco estudiado. Solo afecta a circuitos extremos como el suyo con tapas de plástico y amplificadores operacionales TeraOhm. El mejor informe del efecto lo hizo Bob Pease de Nat Semi cuando trabajó con teflón y corrientes PA.

La cura para esto puede ser la exposición temporal del circuito sin alimentación a una fuente de radiación gamma de intensidad moderada durante unas pocas horas para disipar todas las cargas absorbidas sin contacto físico con las piezas.

Otro método es usar condensadores "más antiguos", que se almacenaron durante unos meses más. Compare las fechas de tapas de lotes buenos y malos. Apuesto a que el lote de condensadores más antiguo es mejor.

O, cuando ordene gorras, pregunte por las que se almacenaron más cerca de la ventana abierta durante el verano. O coloque los tableros ensamblados sin energía sobre una alfombra antiestática conductora seca y caliéntelos a 150 ° C durante una hora (a menos que la limpieza del circuito de pA prohíba cualquier manipulación como esta).

Teoría 2. Corriente inducida por termoacoplamiento. La corriente de tremoacoplamiento puede ser causada por la diferencia de temperatura a través de la unión de dos metales diferentes. Para saber si lo es, sumerja la placa en un baño de aceite agitado y compare el rendimiento con uno al aire libre.

El elemento de descarga en este circuito está conectado permanentemente en paralelo con los capacitores. Como tal, no veo cómo si el circuito está encendido podría causar que la compensación desaparezca gradualmente, y apagarlo haría que regrese gradualmente. Si hubiera alguna fuga fuera del dieléctrico de la tapa, esperaría que produjera una compensación constante (ciertamente, que decae lentamente).
Desafortunadamente, no tengo acceso a un baño de aceite agitado lo suficientemente grande para la tabla. Mide 200 x 280 mm. ¿Alguna recomendación sobre un método alternativo para probar tales efectos térmicos?
Bob Pease describió una vez la configuración de la cámara térmica con una caja de cartón y un ventilador de aire. Puede ser tan bueno como el baño de aceite si la temperatura del aire es estable durante mucho tiempo y el ventilador agita el aire dentro de la caja.
¿Por qué algunos de mis circuitos convertidores IE tienen un gran voltaje de compensación?
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