Die folgende Schaltung ist ein aktiver Strom-Spannungs-Wandler mit umschaltbarer Verstärkung.

Schema

Nicht gezeigt: Der invertierende Eingang wird durch einen 10K-Widerstand niedrig gehalten, wenn die Schaltung eingeschaltet ist, aber nicht verwendet wird. Immer wenn eine Messung durchgeführt wird (einschließlich Kalibrierungsmessungen, bei denen IN schwebt), wird dieser Widerstand getrennt.

Die Versorgung der Analogschalter und des Operationsverstärkers beträgt +/- 11,5 V. Der typische VOUT-Bereich liegt zwischen -10 V und +10 V.

Zweck

Die Schaltung dient zur Messung von Strömen im Nanoamperebereich. Einige mV am Ausgang sind signifikant. Konstante Offsets sind kein wirkliches Problem, da sie leicht kalibriert werden können, indem der Ausgang mit einem offenen Eingang gemessen und von den nachfolgenden Messungen abgezogen wird.

Jede Karte verfügt über 6 oder mehr dieser Schaltkreise.

Komponenten

Der ausgewählte Operationsverstärker hat sehr kleine (<10 pA) Offset- und Bias-Eingangsströme und eine sehr kleine Offset-Spannung (<1 mV). Es ist ein AD8625AR .

SW1A und SW1B sind unterschiedliche Pole desselben CMOS-Schalters (ADG1236). Sie werden zusammen geschaltet, um den Rückkopplungswiderstand auszuwählen, der die Verstärkung des Wandlers bestimmt. Der maximale Leckstrom beträgt 1 nA an den Source- und Drain-Pins, ein oder aus. Der nicht gezeigte Schalter (um den invertierenden Eingang über einen 10K-Widerstand niedrig zu halten) hat eine ähnliche Leistung. Typische Leckströme sind sehr klein (<0,1 nA).

Problem

Das Problem, das ich habe, ist, dass in einigen Kartenstapeln einige (oder alle) dieser Schaltkreise große Offsets aufweisen, die beim Einschalten langsam abfallen. Die meisten Boards sind jedoch jederzeit perfekt stabil, mit kleinen Offsets.

Ein typischer Offset bei VOUT mit IN-Floating ist <1 mV. Auf betroffenen Platinen kann der Offset bis zu 120 mV betragen.

Wenn die betroffenen Platinen eingeschaltet werden, stabilisiert sich der Offset langsam (nach Stunden von Tagen) auf ~ 5 mV. Nachdem die Stromversorgung unterbrochen wurde, sammelt sich der Offset wieder an. Wenn Sie ihn nach ein paar Tagen Ausschalten einschalten, ist er wieder hoch.

Auf jeder Platine befinden sich eine Reihe dieser Schaltkreise. In der ersten Charge von 5 Boards waren alle betroffen. In der nächsten Charge waren keine betroffen. In der letzten Charge hat jede Karte einen betroffenen Stromkreis, und es ist nicht immer der gleiche.

Im schlimmsten Fall würden die maximalen Leckströme aller Analogschalter 1,2 nA betragen, was zu einem 12-mV-Offset bei der höchsten Verstärkungseinstellung führen würde. Ich denke also nicht, dass dies den gesamten Offset erklären kann, den ich sehe.

Woher könnte sonst die Offsetspannung kommen? Gibt es einen häufigen Platinenfehler, der zu dieser Art von Verhalten führen würde?

Einige Theorien hier:

• Wie sicher sind Ihre Netzteile symmetrisch?
  Wenn eine Schiene vor der anderen liegt, kann es sein, dass der Operationsverstärker für einen sehr kurzen Zeitraum Ausgangsspannungen ungleich Null hat.
• Haben Sie alle für solche Hochimpedanzen erforderlichen PCB-Layout-Praktiken implementiert? Zumindest benötigen Sie Schutzringe an allen Knoten mit ultrahoher Impedanz.
  Das Datenblatt von National (Now TI) LMC6082 enthält eine gute Diskussion darüber, was erforderlich ist, um Leckströme auf der Platine so niedrig zu halten, dass sie kein Problem darstellen.

Dies wird wahrscheinlich nicht die Möglichkeit ansprechen, dass Sie Probleme mit der dielektrischen Einweichung haben, wie in der Antwort von @ RocketSurgeon erläutert.
Eine gute und einfache Möglichkeit, seine Antwort zu testen, besteht darin, eine der Kappen auf einem schlechten Brett zu entlöten und umzukehren. Wenn der Versatz in die andere Richtung gedreht wird, handelt es sich um ein dielektrisches Einweichproblem (da die persistente Ladung in der Kappe eine einzige Polarität hat). Wenn sich die Offset-Spannung nicht ändert, liegt das Problem nicht am Kondensator.

Eine Sache, die das Problem der dielektrischen Einweichung nicht erklärt, ist, warum die Ladung zurückkommt, wenn der Stromkreis nicht mit Strom versorgt wird, und weggeht, wenn er mit Strom versorgt wird. Da das Element, das den Kondensator entlädt, kontinuierlich über die Kappe angeschlossen ist (z. B. C1 || R2, C2 || R1), sollte der Beitrag eines aus der Kappe austretenden Stroms konstant sein und nicht von der Versorgungsspannung beeinflusst werden.

Das einzige, was mir in den Sinn kommt, ist, dass irgendwo etwas Hygroskopisches ist und es einen Offset-Strom einspeist. Wenn Sie das Board mit Strom versorgen, erwärmt es sich und vertreibt mit der Zeit die Feuchtigkeit. Schalten Sie das Board aus und es beginnt, Feuchtigkeit zu absorbieren.

Ein Kommentar, den ich habe, ist, dass ich nicht verstehe, warum Sie sowohl SW1A als auch SW1B haben. Sie können SW1B vollständig entsorgen. Binden Sie einfach beide R / C-Paare zusammen und an den Ausgang des Operationsverstärkers. Wenn einer der Kappen- / Widerstandssätze ausgewählt ist, entlädt sich der andere nur langsam. Solange ein Ende schwebt (was durch SW1A erreicht wird), ist die Spannung am anderen Ende irrelevant.

Theorie 1. Einweichen. Dies ist ein dielektrischer Absorptionseffekt. AKA Einweichen . Die Energiequelle ist eine Kondensatorladung, die aus dem Testaufbau des Kondensatorherstellers stammt. Die Filmkondensatoren wurden im Werk einige Minuten lang mit Hochspannung getestet, dann dicharged und mit offenen Leitungen gelagert.

Über einige Monate driftet die verbleibende absorbierte Energie (nicht unbedingt die Ladung, kann aber auch mechanisches Altern / Trocknen / Absetzen sein) von der Innenseite der dielektrischen Schichten zu den Platten. Die Geschwindigkeit kann sehr langsam sein, beispielsweise die Zeitkonstante von Polypropilen multipliziert mit Tausend (einige Jahre für die vollständige Entladung).

Dieser Effekt ist schlecht untersucht. Es betrifft nur extreme Schaltkreise wie Ihre mit Kunststoffkappen und TeraOhm-Operationsverstärkern. Der beste Wirkungsbericht wurde von Bob Pease von Nat Semi erstellt, als er mit Teflon- und pA-Strömen arbeitete.

Die Heilung hierfür kann darin bestehen, dass der Stromkreis ohne Stromversorgung einige Stunden lang einer Gammastrahlungsquelle mittlerer Intensität ausgesetzt wird, um alle absorbierten Ladungen ohne physischen Kontakt mit Teilen abzuleiten.

Eine andere Methode ist die Verwendung von "älteren" Kondensatoren, die einige Monate länger gelagert wurden. Vergleichen Sie die Daten der Kappen aus guten und schlechten Chargen. Ich wette, die Charge der älteren Kondensatoren ist besser.

Oder fragen Sie bei der Bestellung von Kappen nach denen, die im Sommer näher am offenen Fenster aufbewahrt wurden. Oder legen Sie zusammengebaute, nicht mit Strom versorgte Platinen auf eine trockene, leitfähige Antistatikmatte und erhitzen Sie sie eine Stunde lang auf 150 ° C (es sei denn, die Sauberkeit des pA-Schaltkreises verbietet solche Manipulationen).

Theorie 2. Durch Thermokopplung induzierter Strom. Der Thremokopplungsstrom kann durch Temperaturunterschiede an der Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle verursacht werden. Um herauszufinden, ob dies der Fall ist, tauchen Sie die Platte in ein Rührölbad und vergleichen Sie die Leistung mit einer in freier Luft.