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[参考译文] OPA2992:电荷放大器 PCB 设计具有一致的10M Ω 泄漏路径

Guru**** 1805910 points
Other Parts Discussed in Thread: OPA2992, OPA928
请注意,本文内容源自机器翻译,可能存在语法或其它翻译错误,仅供参考。如需获取准确内容,请参阅链接中的英语原文或自行翻译。

https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/1400591/opa2992-charge-amplifier-pcb-design-has-consistent-10-meg-ohm-leakage-path

器件型号:OPA2992
主题中讨论的其他器件: OPA928

工具与软件:

我设计了一个带有 OPA2992的电荷放大器 PCB、用于测量压电式传感器的输出。 预期电路的原理图如第一幅图(图1)所示、其中压电式传感器被建模为与电容器串联的交流电压源。 我在 反相配置中设计了 OPA2992的电路 、在反馈环路中使用了一个500兆欧的电阻器和2个微微法拉电容器、这应该可以为频率响应提供~160Hz 的截止频率。 当我进行测试时、使用 Hi-Z 模式下的函数发生器与12pF 电容器串联来模拟压电式传感器、产生的频率响应函数显示截止频率~10kHz、几乎增大了100倍(图2)。

图1

图2

我怀疑这是由于反馈环路中的泄漏路径造成的、因此我模拟了一个反馈电阻低得多(2.3兆欧)的电路、可以肯定的是、其频率响应与实际测量非常接近(图3)。 然后、我在同一个 PCB 板上测试了各种其他元件值、因此根据我使用的大阻值电阻器、cuton 频率的行为始终不正确、但漏电阻值始终在1-3兆欧姆范围内。  

图3

我在互联网上搜索了可能的原因、并在任何元件回流到互联网上之前、使用万用表对每一个元件以及 PCB 板本身进行了测试、 但我似乎无法找出导致这种相对较小的漏电阻的任何合理原因。 当我将探头放在反相输入和输出焊盘上时、万用表测量到反馈路径中小于10Meg 的电阻、但我发现、当涉及电容器时、万用表无法准确测量电阻。 我在网上看到的许多原因起初似乎是可信的,例如 PCB 板受到污染,但一旦我测试了很多不同的 组件值的板,甚至其他运算放大器(AD8066),并看到一致的泄漏电阻1-3兆欧每一次,我 越来越怀疑这种解释会导致这样一个一致的值。

我愿意听到我可能会做错的任何想法、包括对更高的切割频率的其他解释、除了大电阻器被泄漏路径短路之外。 我还在下面包含了我的 PCB 的布局(图4)。 谢谢

图4

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    嗨、Xiya、

    您是否知道所用电容器的绝缘电阻? 这通常会包含在电容器数据表中。 通常、对于低值电容器、该值较高、因此可能并非如此。

    只添加100M Ω 寄生电容就会将通带频率提高至1kHz 左右

    这些测量是否是在从电路板上清除焊剂后完成的? 助焊剂污染可能没有一致的泄漏电阻值、但可能是导致该情况的原因。 我会尝试使用异丙醇清理电路板、然后重新测量以查看是否出现相同的通带。

    此致!
    Jerry

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    你好,谢谢你的答复! 电容器绝缘电阻也是我首先要检查的因素之一、我发现的器件的所有数据表与您发布的数据表类似、它们应该在千兆欧范围内、而不是导致截止频率漂移的<10兆欧。 此外、在反馈环路中使用来自不同制造商的2pF、10pF 或820pF 电容器时、I 测试了配置、并且所有电路都表现出类似的切断频移 (对应于我使用的电容器值)和~2M Ω 寄生电阻。 准阻值的一致性使我认为它一定不能是电容器的漏电阻。

    您也可以建议清洁电路板。 我目前正在使用 IPA 对整个板进行清洁、方法是在所有组件都回流到板上后、使用刷子对其进行刷子、但我不确定是否可以采取其他步骤来更好地进行清洁。 我已经测试了已清洁和未清洁的电路板、它们在接通频率(~100x)上有类似的变化。

    目前、我怀疑电路板材料有故障、或者我的 PCB 设计使电流太容易绕过大电阻器、或者泄漏路径在某种程度上位于运算放大器内部的反相端子和输出端子之间(不太可能)。

    我在线阅读了很多地方、我应该在运算放大器的高阻抗节点周围设置一个防护环、例如电路中的运算放大器反相端子、但我不确定这到底是为什么或者如何完全解决漏电问题、或者最初是什么导致了1-3M Ω 漏电阻。

    我在过去一周半的时间里一直在为这个问题脱下头发、因此我非常感谢有关这个主题的任何想法或意见。 非常感谢

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    嗨、Xiya、

    如果要隔离电路板寄生效应、可以尝试用空气导线方式隔离反馈路径。 这会涉及弯曲 IC 的 IN 和 OUT 引脚、并将一根小导线和反馈元件焊接到这些引线上(有关空气连接的输入引脚、请参阅下图)。 只要您确保端子不接触电路板、就可以隔离这种接触电路板寄生效应的可能性。

    我相信您采取的清洁程序就足够了。

    此致!
    Jerry

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    您好、Jerry、感谢您的答复! 空气焊接绝对是一个有趣的想法、我接下来将尝试一下。 我唯一的问题是、我的反馈组件都是芯片贴装组件、并且非常小(0805封装尺寸)、所以我不确定这项任务是尝试将它们在空气中焊接到短引线上有多花哨。

    如果采用空气焊接技术、我将随时向您通报最新情况;同时、如果这里的任何人在高阻抗应用中使用防护环方面具有相关经验、请告知在节点周围重新设计防护环是否有可能解决此问题。 我建议的 防护环位置如下图所示、以黑色绘制。 它将具有与 IN+节点相同的电势(直接连接到 GND)、因此会 消耗 并阻止任何试图绕过500M Ω 电阻以到达 OUT 节点的漏电流。

    我知道这个电路设计可以起作用、因为我已经 阅读了至少2篇 Pd 论文、这些论文针对同一应用采用了一种非常相似的电路、在反馈路径中具有甚至更大的电阻值(>1G Ω)、从而获得了与所用电阻值相对应的截止频率、而不是低值漏电阻。 我只是 想弄清楚我在做什么错,所以任何意见都值得赞赏。

    非常感谢、

    Xiya

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    嗨、Xiya、

    让我来询问我专门从事 PCB 布局的同事、了解他关于保护环实施的建议。 然而,他在今天和明天的剩余时间里都不在办公室,所以我将在星期一得到一个答案。

    此致!
    Jerry

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    您好、Xiya:

    我建议使用低得多的电阻、然后使用第二个放大器来提升交流电压。 500M 非常大、2pF 非常小。

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    非常感谢 Jerry、那就太好了! 我今天做了更多测试、 另一个可能的泄漏原因是我使用的水溶性焊锡膏、这会在我使用的表面贴装0805元件的底部留下一些导电助焊剂(万用表上<10MOhms)、并且在将元件焊接到电路板上后几乎无法清洁、因为它们被元件覆盖。  

    我今天订购了一些免清洗焊锡膏、等到它们到达时、我就可以再进行一些测试。 不过、我希望能更好地了解护圈、因此有关护圈的任何信息都将非常有用、对于这样的模拟操作尤其如此。

    再次感谢您!

    此致!

    Xiya

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    嘿,罗恩,谢谢你的答复! 这是一个很好的建议、 如果其他都失败、我肯定会使用这种备份计划。 我没有选择使用更高电容和更低电阻的原因是、它会增加整个电路的输出参考噪声、从而也会增加压电式传感器+ PCB 设置的最小可检测压力。 我还想在改变 PCB 板本身的设计之前完全用完我目前的所有选项、而这需要制造和运输、而且需要花费大量时间和金钱。 再次感谢您的建议、非常感谢您提供的宝贵意见。

    此致!

    Xiya

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    尊敬的 Xiya:

    防护环设计的最佳文章可能来自 Paul Grohe 关于低漏电设计的3部分系列,链接如下: https://www.edn.com/design-femtoampere-circuits-with-low-leakage-part-one/

    您在 PCB 设计上放置的黑色防护环可以很好地在感应节点周围实现防护环、但请务必包含连接到 TP2的输入走线。

    这里是一个使用我们的 OPA928的示例布局

     

    需要考虑/验证的最重要因素:

    1.确保你被完全包围 全部 连接到放大器反相节点的元件。

    2. 如果不使用带有专用防护环驱动器的设备、则使用放大器的另一个通道或单独的 放大器来强制在防护环上施加此防护电压。   

    3.板材清洁度对于确保低电流测量极为重要。  

    4.虽然在所有应用中不是必需的,但移除低电流区域周围的阻焊层可以进一步移除 PCB 基板的泄漏源。

    5.最好是保护连接到反相输入端的任何区域,这当然会延伸到通孔组件。 对于两层板的情况、如果输入信号传递到 TH 连接器、我将在两层上进行保护。 防护环周围的过孔栅栏还有助于减少通过 PCB 基板的任何泄漏路径。

    以下是为您的电路板设计防护环的方法:

    同样、将防护环连接到驱动器以确保将防护环驱动至正确的电压。  

    即使使用 FR-4、我也能够看到泄漏电流具有良好的性能、但最终您可能需要使用更多外来材料、例如 Rogers 4003C、以实现超低泄漏。  

    进一步改进低电流感应的另一种方法是在电路板的其他层上创建多个防护环。 泄漏不一定仅适用于2D、因为3D 泄漏路径对于获得最佳性能非常重要。 我已设计了电路板、在其中对防护迹线正下方的层进行防护、以防止漏电流进入 PCB。 我的图片中的图8-9很好地展示了该理论。

    请随时对 PCB 进行更改、并将其重新提交到此主题以供审核。 我很高兴查看您的更改。

    谢谢!

    Jacob

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    你好,雅各布,谢谢你,令人难以置信的详细和深思熟虑的回应!

    我 目前正在着手电荷放大器电路的第二项设计、并且已经实施了您建议的一些措施、例如一直延伸防护环至输入焊盘。 我一定会在完成新设计后立即将其发送到这里、并希望能通过第二组眼睛对其进行审查。

    我已经找到了最初的问题是什么原因造成的,对于任何人谁一直遵循的线程,这是我所使用的焊锡膏,它使用"水溶性"助焊剂,而不是"免清洗"一种。 这意味着我的焊锡膏所留下的助焊剂既是助焊剂、又是助焊剂  量度 腐蚀性 由于我使用了 小型表面贴装组件、 即使用 IPA 刷板后、组件底部仍有相当大的余量、这足以形成<10M Ω 的泄漏路径。 对于任何设计需要高阻抗的电路的用户、请记得检查 所使用的焊锡膏是否被归类为"免清洗"、否则助焊剂残留物可能导电、大约为几十毫欧或更少、并且可能会螺丝起您的设计。

    事实证明,这是一个疯狂的追逐一个相当简单的问题,但我非常感谢这次经历,因为我学到了很多不同的方式泄漏可能发生在电路板上,以及可以采取的设计决定,以尽量减少它(即适当的防护环实施)。  再次感谢大家的答复,并提供他们的帮助我在这个线程,它会花费我更长的时间来找到根本原因没有宝贵的指导。

    此致!

    Xiya

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    尊敬的 Xiya:

    很高兴听到您解决了问题! 我过去几乎完全使用免清洗助焊剂、但我很高兴您分享了您的水溶性助焊剂结果。 我一定要将其添加到我的注释列表中、以了解低 IIB 测量。

    谢谢!

    此致!

    Jacob