为什么我的一些 IE 转换器电路的失调电压很大?

电器工程 运算放大器 开关 模拟 电流测量
2022-01-20 14:22:44

以下电路是具有可切换增益的有源电流电压转换器。

示意图

具有增益开关的运算放大器电流电压转换器

未显示:当电路通电但未使用时,反相输入通过 10K 电阻保持低电平。无论何时进行测量(包括 IN 悬空的校准测量),该电阻器都会断开。

模拟开关和运算放大器上的电源为 +/- 11.5 V。典型的 VOUT 范围在 -10V 和 +10V 之间。

目的

该电路用于测量纳安范围内的电流。输出上的几个 mV 很重要。恒定偏移并不是真正的问题,因为它们可以很容易地通过测量开路输入的输出并从后续测量中减去它来校准。

每块电路板有 6 个或更多这样的电路。

成分

所选运算放大器具有非常小的 (< 10 pA) 失调和偏置输入电流以及非常小的失调电压 (< 1 mV)。这是一个AD8625AR

SW1A 和 SW1B 是同一个 CMOS 开关 (ADG1236) 的不同极。它们一起切换以选择反馈电阻,这决定了转换器的增益。源极和漏极引脚上的最大漏电流为 1 nA,开或关。未显示的开关(用于通过 10K 电阻保持反相输入低电平)具有类似的性能。典型的漏电流非常小(< 0.1nA)。

问题

我遇到的问题是,在某些批次的电路板中,这些电路中的一些(或全部)具有较大的偏移,在通电时会缓慢衰减。然而,大多数电路板在任何时候都非常稳定,偏移量很小。

IN 浮动时 ​​VOUT 上的典型偏移小于 1 mV。在受影响的电路板上,偏移可能高达 120 mV。

当受影响的电路板通电时,偏移量将缓慢(数小时后)稳定到 ~5 mV。断电后,偏移量再次累积,因此在断电几天后重新上电时,它又变高了。

每块板上都有一堆这样的电路。在第一批的5块板子中,都受到了影响。在下一批中,没有人受到影响。在最近的一批中,每块电路板都有一个受影响的电路,而且并不总是相同的。

在最坏的情况下,所有模拟开关的最大泄漏电流为 1.2nA,在最高增益设置下会产生 12 mV 的偏移,所以我认为这不能解释我看到的所有偏移。

失调电压还能从哪里来?是否存在会导致这种行为的常见电路板缺陷?

2个回答

这里有几个理论:

  • 您的电源是否对称出现?
    如果一个轨道先于另一个上升,则运算放大器的输出电压可能会在很短的时间内保持非零。
  • 您是否实施了此类高阻抗所需的所有 PCB 布局实践?至少,您需要在所有超高阻抗节点上安装保护环。
    National(现在是 TI)LMC6082数据表很好地讨论了需要什么才能使电路板泄漏电流足够低而不会成为问题。

正如@RocketSurgeon 的回答中所讨论的,这可能无法解决您遇到电介质浸泡问题的可能性。
测试他的答案的一个好而简单的方法是拆焊坏板上的一个盖子,然后将其反转。如果偏移向另一个方向翻转,这是一个电介质浸泡问题(因为帽中的持久电荷将具有单一极性)。如果偏移电压没有变化,则问题不在电容器上。

我没有看到介电浸泡问题解释的一件事是,为什么当电路没有通电时电荷似乎又回来了,而当它通电时又消失了。由于使电容器放电的元件连续连接在电容两端(例如 C1||R2、C2||R1),因此从电容漏出的任何电流的贡献应该是恒定的,并且不受电源电压的影响。

我唯一想到的就是某处有吸湿性的东西,它会注入偏移电流。当您为电路板供电时,它会升温,并随着时间的推移将水分排出。关闭电路板,它开始吸收水分。


我有一个评论是我不明白为什么你同时拥有SW1A 和 SW1B。您可以完全丢弃 SW1B。只需将两个 R/C 对连接在一起,并连接到运算放大器的输出。When one of the cap/resistor sets is selected, the other will just slowly discharge. 只要一端悬空(由 SW1A 完成),另一端的电压就无关紧要了。

理论 1. 浸泡。这就是介电吸收效应。又名浸泡能源是从电容器制造商的测试装置中携带的电容器电荷。薄膜电容器在出厂时已通过高压测试几分钟,然后用开路引线放电和储存。

几个月后,剩余的吸收能量(不一定是电荷,也可能是机械老化/干燥/沉降)从介电层内部漂移到板上。速度可能非常慢,例如聚丙烯的时间常数乘以千倍(完全放电需要几年)。

这种影响研究得很少。它只影响像塑料盖和 TeraOhm 运算放大器这样的极端电路。Nat Semi 的 Bob Pease在使用聚四氟乙烯和 pA 电流时完成了最好的效果报告。

对此的解决方法是将未通电的电路暂时暴露在中等强度的伽马辐射源下几个小时,以消散所有吸收的电荷,而无需与部件进行物理接触。

另一种方法是使用“较旧”的电容器,这些电容器可以存放几个月。比较好批次和坏批次的上限日期。我敢打赌,较旧的电容器批次会更好。

或者,在订购帽子时,请询问那些在夏季存放在靠近开窗的地方。或者将组装好的未通电的电路板放在干燥的导电抗静电垫上,加热到 150C 一个小时(除非 pA 电路的清洁度禁止任何此类操作)。

理论 2. 热电偶感应电流。thremocoupling 电流可能是由两种不同金属结的温度差异引起的。要确定是否是它,请将电路板浸入搅拌过的油浴中,并与在自由空气中的电路板进行性能比较。