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

Esquemático

No se muestra: la entrada de inversión se mantiene baja a través de una resistencia de 10K cuando el circuito está encendido pero no se utiliza. 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 opamp son +/- 11.5 V. El rango típico de VOUT es entre -10V y + 10V.

Propósito

El circuito se usa para medir corrientes en el rango de nanoamperios. Algunos 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 restando eso de las mediciones posteriores.

Cada placa 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 conmutador CMOS (ADG1236). Se cambian juntos para seleccionar la resistencia de retroalimentación, que determina la ganancia del convertidor. La corriente de fuga máxima es de 1 nA en la fuente y los pines de drenaje, encendidos o apagados. El interruptor que no se muestra (para mantener baja la entrada de inversión a través de una resistencia de 10K) tiene un rendimiento similar. Las corrientes de fuga típicas son muy pequeñas (<0.1nA).

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 placas son perfectamente estables en todo momento, con pequeñas compensaciones.

Un desplazamiento típico en VOUT con IN flotante es <1 mV. En tableros afectados, el desplazamiento puede ser tan alto como 120 mV.

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

Cada placa tiene un montón de estos circuitos en ella. En el primer lote de 5 tableros, todos fueron afectados. En el siguiente lote, ninguno se vio 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 conmutadores analógicos serían 1.2nA, lo que daría como resultado un desplazamiento de 12 mV en la configuración de ganancia más alta, por lo que no creo que eso pueda explicar todo el desplazamiento que estoy viendo.

¿De dónde más podría venir el voltaje de compensación? ¿Existe un defecto común en la placa que resultaría en este tipo de comportamiento?

Un par de teorías aquí:

• ¿Qué tan seguros están sus fuentes de alimentación de forma simétrica?
  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 tales altas impedancias? Como mínimo, necesitará anillos de protección en todos los nodos de impedancia ultra alta.
  La hoja de datos nacional (ahora 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 no ser un problema.

Es probable que esto no aborde la posibilidad de que tenga problemas de remojo dieléctrico, como se discutió en la respuesta de @ RocketSurgeon.
Una manera buena y fácil de probar su respuesta sería desoldar una de las tapas en un tablero malo y revertirla. Si el desplazamiento se gira en la otra dirección, es un problema de remojo dieléctrico (porque la carga persistente en la tapa tendrá una sola polaridad). Si el voltaje de compensación no cambia, el problema no es el condensador.

Una cosa que no veo que explique el problema del remojo dieléctrico es por qué la carga parece regresar cuando el circuito no está alimentado y desaparecer cuando está alimentado. Dado que el elemento que descarga el condensador está conectado continuamente a través de la tapa (por ejemplo, C1 || R2, C2 || R1), la contribución de cualquier fuga de corriente de la tapa debe ser constante y no verse afectada por la tensión de alimentación.

Lo único que me viene a la mente es que hay algo higroscópico en alguna parte e inyecta una corriente de compensación. Cuando enciende la placa, se calienta y elimina la humedad con el tiempo. Apague la placa y comenzará a absorber la humedad.

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

Teoría 1. Remojo. Este es el efecto de absorción dieléctrica. AKA 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 por alto voltaje durante unos minutos en la fábrica, luego se descargan y almacenan con cables abiertos.

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

Este efecto está poco estudiado. Afecta solo a circuitos extremos como el suyo con tapas de plástico y opamps TeraOhm. El mejor informe de efecto lo realiza Bob Pease de Nat Semi cuando trabajaba con teflón y corrientes pA.

La cura para esto puede ser la exposición temporal de un circuito no alimentado a una fuente de radiación Gamma de intensidad moderada durante algunas horas para disipar todas las cargas absorbidas sin contacto físico con las partes.

Otro método es condensadores "más antiguos", que se almacenaron durante unos meses más. Compare las fechas de los límites del lote bueno frente al malo. Apuesto a que el lote de condensadores más antiguos es mejor.

O, al ordenar tapas, pregunte por las que se almacenaron más cerca de la ventana abierta durante el verano. O coloque paneles ensamblados sin alimentación en una esterilla antiestática conductora seca y caliente a 150 ° C durante una hora (a menos que la limpieza del circuito pA prohíba cualquier manipulación como esta).

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