O circuito a seguir é um conversor ativo de corrente para tensão com ganho comutável.

Esquemático

Não mostrado: A entrada inversora é mantida baixa através de um resistor de 10K quando o circuito está ligado, mas não está sendo usado. Sempre que uma medição estiver sendo feita (incluindo medições de calibração em que IN está flutuando), esse resistor é desconectado.

Os suprimentos nos comutadores analógicos e opamp são +/- 11,5 V. A faixa típica do VOUT está entre -10V e + 10V.

Objetivo

O circuito é usado para medir correntes na faixa de nanoamp. Alguns mV na saída são significativos. As compensações constantes não são realmente um problema, pois podem ser facilmente calibradas medindo a saída com uma entrada aberta e subtraindo-a das medições subseqüentes.

Cada placa possui 6 ou mais desses circuitos.

Componentes

O amplificador operacional selecionado possui correntes de entrada de desvio e polarização muito pequenas (<10 pA) e uma tensão de compensação muito pequena (<1 mV). É um AD8625AR .

SW1A e SW1B são pólos diferentes do mesmo comutador CMOS (ADG1236). Eles são alternados para selecionar o resistor de feedback, que determina o ganho do conversor. A corrente máxima de vazamento é de 1 nA nos pinos de fonte e de drenagem, ligados ou desligados. O interruptor não mostrado (para manter a entrada inversora baixa através de um resistor de 10K) tem desempenho semelhante. As correntes de vazamento típicas são muito pequenas (<0,1 nA).

Problema

O problema que estou enfrentando é que, em alguns lotes de placas, alguns (ou todos) desses circuitos têm grandes compensações que se deterioram lentamente ao serem energizadas. No entanto, a maioria das placas é perfeitamente estável o tempo todo, com pequenas compensações.

Um deslocamento típico no VOUT com IN flutuante é <1 mV. Em placas afetadas, o deslocamento pode chegar a 120 mV.

Quando as placas afetadas são ligadas, o deslocamento estabiliza lentamente (após horas de dias) para ~ 5 mV. Depois que a energia é removida, o deslocamento se acumula novamente; portanto, ao ligá-lo após alguns dias de desligamento, fica alto novamente.

Cada placa possui vários desses circuitos. No primeiro lote de 5 placas, todas foram afetadas. No próximo lote, nenhum foi afetado. No lote mais recente, cada placa possui um dos circuitos afetados e nem sempre é o mesmo.

Na pior das hipóteses, as correntes máximas de vazamento de todos os comutadores analógicos seriam 1,2 nA, resultando em um deslocamento de 12 mV na configuração de ganho mais alto, então não acho que isso possa explicar todo o deslocamento que estou vendo.

De onde mais poderia estar vindo a tensão de compensação? Existe um defeito comum no painel que resultaria nesse tipo de comportamento?

Algumas teorias aqui:

• Qual a certeza de que suas fontes de alimentação estão chegando simetricamente?
  Se um trilho surgir antes do outro, você poderá ter tensões de saída diferentes de zero do op-amp por um período muito curto.
• Você implementou todas as práticas de layout de PCB necessárias para essas altas impedâncias? No mínimo, você precisará de anéis de proteção em todos os nós de impedância ultra alta.
  A folha de dados National (Now TI) LMC6082 tem uma boa discussão sobre o que é necessário para obter as correntes de fuga da placa baixas o suficiente para não ser um problema.

Isso provavelmente não abordará a possibilidade de você ter problemas dielétricos de contaminação, conforme discutido na resposta do @ RocketSurgeon.
Uma maneira boa e fácil de testar sua resposta seria desoldar uma das tampas de um quadro ruim e invertê-la. Se o deslocamento for invertido na outra direção, é um problema de absorção dielétrica (porque a carga persistente na tampa terá uma única polaridade). Se a tensão de offset não mudar, o problema não é o capacitor.

Uma coisa que não vejo a questão da absorção dielétrica explicando é por que a carga parece voltar quando o circuito está desligado e desaparece quando está ligada. Como o elemento que descarrega o capacitor é conectado continuamente através da tampa (por exemplo, C1 || R2, C2 || R1), a contribuição de qualquer corrente que vazar para fora da tampa deve ser constante e não afetada pela tensão de alimentação.

A única coisa que me vem à mente é que há algo higroscópico em algum lugar e injeta uma corrente de compensação. Quando você liga a placa, ela aquece e elimina a umidade ao longo do tempo. Desligue a placa e ela começa a absorver novamente a umidade.

Um comentário que tenho é que não vejo por que você tem o SW1A e o SW1B. Você pode descartar inteiramente o SW1B. Apenas amarre os dois pares R / C juntos e à saída do amplificador operacional. Quando um dos conjuntos de tampas / resistores é selecionado, o outro descarrega lentamente. Enquanto uma extremidade estiver flutuando (o que é realizado por SW1A), a tensão na outra extremidade é irrelevante.

Teoria 1. Absorção. Este é o efeito de absorção dielétrica. AKA imersão . A fonte de energia é uma carga de capacitores transportada da configuração de teste do fabricante do capacitor. Os capacitores de filme foram testados em alta tensão por alguns minutos na fábrica, depois descarregados e armazenados com fios abertos.

Durante alguns meses, a energia residual absorvida (não necessariamente a carga, mas também pode ser envelhecida / secada / sedimentada) passa do interior das camadas dielétricas para as placas. A velocidade pode ser muito lenta, digamos que a constante de tempo do polipropileno se multiplique por mil (alguns anos para descarga total).

Este efeito é pouco estudado. Afeta apenas circuitos extremos como o seu, com tampas plásticas e opamps TeraOhm. O melhor relatório de efeito é feito por Bob Pease, da Nat Semi, quando ele trabalhava com correntes de teflon e pA.

A solução para isso pode ser a exposição temporária do circuito não energizado à fonte de radiação gama de intensidade moderada por algumas horas para dissipar todas as cargas absorvidas sem contato físico com as peças.

Outro método é usar capacitores "Antigos", que foram armazenados por alguns meses a mais. Compare as datas dos limites de lote bom versus ruim. Aposto que o lote de capacitores mais antigos é melhor.

Ou, ao pedir bonés, peça aqueles que foram armazenados mais perto da janela aberta durante o verão. Ou coloque as placas não energizadas montadas no tapete antiestático condutor seco e aqueça a 150 ° C por uma hora (a menos que a limpeza do circuito pA proíba qualquer manipulação como essa).

Teoria 2. Corrente induzida por termopar. A corrente de acoplamento duplo pode ser causada pela diferença de temperatura na junção de dois metais diferentes. Para descobrir se é, submeta a placa em banho de óleo agitado e compare o desempenho com um ao ar livre.