Проектирование фемтоамперных цепей с низкой утечкой

Часть 1

Пауль Грох (Paul Grohe)

Данная статья даст представление о хитрых и необычных методиках, необходимых для успешного создания слаботочных цепей. Первая часть определяет и описывает схемы, которые переносят столь слабые токи. Она пояснит проблемы, которые возникают при проектировании этих цепей, и исследует применение методов экранирования и защиты. Во второй части выполнено исследование того, как выбор компонентов влияет на рабочие характеристики цепей с низкими утечками, и рассмотрено, какими путями помехи прокрадываются в схемы с низкими утечками. В третьей части приведены подробные методики проектирования плат и показан пример схемы с низкими утечками. Там также будет дано описание того, как проверить рабочие характеристики данных методик проектирования схем с низкими утечками.

Слаботочная аппаратура

Цепи, переносящие фемтоамперы тока (1 фемтоампер = 10-15 А), имеют множество тонкостей, которые не учитывались бы при проектировании и компоновке обычных схемных решений. Если вы не обратите внимания на эти тонкости, цепь не достигнет минимально возможного разрешения и проявит склонность к дрейфу из-за компонентов, материалов и компоновки схемы. Знание ограничений и утечек в цепи, а также обеспечение способов их минимизации или устранения приведёт к улучшению рабочих характеристик схемы.

Мир токов ниже пикоампера уникален и играет по особому набору правил. В этом мире даже механические части конструкции могут стать частями электрической цепи. Проектирование работы схемы на уровнях долей пикоампера и фемтоамперов требует специальных методик и компромиссов, которых обычные уровни токов, как правило, не требуют. Незнание этих предосторожностей или пренебрежение ими могут привести к нескончаемой головной боли для проектировщиков. А инженеры-электронщики обнаружат, что они выступают также и в роли инженеров-механиков.

Для сведения: 1 А равен потоку 6 241 500 000 000 000 000 или 6,2418 электронов/с; 1 пА, или 1-12 А, равен 6,24 млн электронов/с; а 1 фА равен 1-15 А, или 6240 электронов/с. В мире пикоамперов есть три обычных врага: утечки токов, источники помех и паразитная ёмкость. Хорошая слаботочная схема должна сводить к минимуму воздействия этих постоянных врагов и находить баланс между оптимальными рабочими характеристиками и технологичностью производства. Вам понадобятся специальные методики и материалы, которые могут быть несовместимы с обычными технологическими маршрутами.

Многие цепи с высоким полным сопротивлением зачастую проходят напрямую на вход усилителя при отсутствии каких-либо параллельных резистивных соединений. Примерами таких цепей служат датчики кислотности, усилители газоанализаторов, медицинские датчики, схемы выборки и хранения, а также инструментальные усилители на трёх ОУ. Цепи могут иметь полные входные сопротивления в тераомном диапазоне. На таких низких уровнях токов зачастую используется усилитель напряжения, управляемый током, или преобразователь тока в напряжение. Вы обнаружите такую конфигурацию цепи в неинвертирующем усилителе, усилителях фотодетекторов, преобразователях тока в напряжение и схемах фотоэлектрических умножителей. Критически важными узлами являются узел инвертирующего входа усилителя и элементы его обратной связи. Ток утечки в этом узле определяет предельную точность такого устройства.

Цепи с более сильными токами, такие как низкочастотные фильтры и логарифмические усилители, также выигрывают от применения методик проектирования схем с низкими утечками. Они будут иметь расширенный динамический диапазон с повышенной минимальной точностью и меньший дрейф, чем неоптимизированные схемы.

Причины нарушений

Загрязнённые дорожки печатной платы могут вызвать утечку при слабых токах. Грязь между дорожками и на изолирующем материале (не на самой дорожке или проводе) вызывает утечку, вызванную токопроводящей средой между двумя проводниками. Сама по себе сухая грязь может не вызывать проблемы. Однако сочетание грязи с влагой, солями и маслом становится способным проводить ток. Идея здесь проста: соблюдайте чистоту.

Влага является инициатором большинства проблем с утечками. Когда влага сочетается с солями из окружающей среды и другими загрязняющими веществами, её электропроводность увеличивается. Изоляция, печатные платы и другие гигроскопичные материалы впитывают влагу, снижая электрическое сопротивление материалов и вызывая увеличение утечек между проводниками.

Загрязнение между проводниками при наличии нужного сочетания материалов и влаги также может создать гальваническую пару. Влажная и солёная грязь между медной дорожкой и оцинкованным винтом или алюминиевым корпусом будет создавать ток между материалами. Этот ток вызывает погрешности измерений и коррозию материалов. Поскольку уровень влажности меняется в течение дня, в зависимости от сезона и географического положения, это создаёт базовую утечку, которую трудно устранить. Эти утечки меняются ежечасно, еженедельно или ежегодно, в зависимости от окружающей среды и сезона.

Частицы пыли и влага в воздухе по мере их перемещения над проводником создают за счёт трения небольшой заряд, поэтому следует защитить входную цепь от перемещающихся воздушных потоков. Позаботьтесь о том, чтобы охлаждающий воздушный поток от вентилятора не проходил прямо над чувствительными узлами. Воздушный поток может также вызвать накопление пыли и влаги на проводниках и компонентах.

Необходимо учесть в схеме свойства изолирующих материалов. Эти материалы входят в непосредственный контакт с низкоуровневыми сигналами, обычно это происходит через разъёмы, крепления или материал платы. В электронной промышленности большая часть обычных изоляторов — это оргстекло, стекло, керамика, ПВХ (поливинилхлорид), эпоксидная смола и тефлон. Каждый материал имеет свои слабые и сильные стороны. Сухой воздух является отличным изолятором. Нахождение проводников на открытом воздухе может обеспечить результаты с наименьшими утечками. Воздух имеет низкое напряжение пробоя, что ограничивает эту методику для областей применения с высоким напряжением. ПТФЭ (политетрафторэтилен) и ФЭП (фторированный этилен-пропилен), более широко известный как тефлон, имеют наилучшие характеристики по утечкам и высокому напряжению из всех обычных изолирующих материалов, но они дорогостоящие, мягкие и трудно обрабатываются. Тефлоновые платы стоят дорого из-за самого материала и необходимости дополнительных этапов в производственном процессе.

Керамика, хотя и является хорошим изолятором, обычно бывает пьезоэлектриком. Керамика самостоятельно генерирует заряд под действием механического напряжения или удара. Она также легко впитывает влагу, если не герметизирована или не покрыта глазурью. Стекло, хотя и является хорошим изолятором, проявляет некоторые пьезоэлектрические свойства, как у керамики. В корпусах ИС используется прессованное стеклоэпоксидное соединение, которое позволяет протекать токам менее 1 фА. Эпоксидная смола является прекрасным недорогим изолятором, однако она гигроскопична и со временем впитывает влагу. Во многих компонентах, разъёмах и изоляции проводов используется ПВХ, который может генерировать заряд, если его согнуть или потереть им о другой проводник, точно так же, как расчёсывание волос может порождать ток. Поэтому следует избегать изоляции из ПВХ во входной цепи и вблизи неё.

Может показаться логичным создать схему с минимально низкой утечкой на пластине из тефлона. Однако это может быть плохой идеей. Поскольку тефлон — хороший изолятор, любой попавший на его поверхность заряд будет рассеиваться медленно. Если вблизи находится чувствительный узел, накопленный заряд будет приводить к медленному успокоению или дрейфу. Лучшим методом будет покрытие большой поверхностной площади защищённой токопроводящей плоскостью. Несмотря на то, что этот метод кажется контрпродуктивным по отношению к желанию получить низкую утечку, в целом следует свести к минимуму использование изоляторов. Изоляционный материал должен обеспечивать изоляцию, но использование слишком большого его количества создаёт поверхность для накопления излишнего заряда.

Для цепей низкого напряжения алюминиевая прокладка, накрытая сверху маленьким кусочком тефлоновой изоляции, работает лучше и стоит дешевле, чем использование полностью тефлоновой накладки. Если цепь будет работать с высокими напряжениями, вам нужна тефлоновая накладка из-за её улучшенных изолирующих свойств. В случае цепей переменного тока тонкий изолятор имеет повышенную паразитную ёмкость, которая может вызывать новые проблемы. Как во всём аналоговом проектировании, вам следует рассмотреть много компромиссных решений. Платы печатного монтажа оказывают большое влияние на проектирование для низких утечек, поскольку материал платы находится в непосредственном контакте со всеми узлами цепи.

Рабочие характеристики вашей схемы хороши лишь настолько, насколько хороши рабочие характеристики материала платы. Как и в случае РЧ-цепей, которые работают на гигагерцевых частотах, вы должны считать плату активным компонентом. Большая часть характеристик материала платы и методов её разработки фокусируются на изготовлении радиочастотных схем. Изготовители связывают спецификации материала платы с цепями, которые работают на этих скоростях. Они учитывают требования по низкому уровню тока, указывая объёмное удельное сопротивление. Спецификации изготовителя предназначены для исходного многослойного материала до обработки, а не готового изделия. Такое изделие является сандвичем из ламинатов, скрепляющих клеев, наполнителей, паяльных масок и рисунков размещения компонентов, которые составляют плату.

Наиболее широко распространённым материалом печатной платы является FR4 (огнестойкий, тип 4), который содержит пропитанную эпоксидной смолой стеклоткань. Изготовители прессуют эту эпоксидную смолу под высоким давлением для образования прочной платы. FR4 имеет хорошие электрические свойства, но не является лучшим материалом для слаботочных цепей. Рабочие характеристики FR4 можно улучшить с помощью специальной компоновки и технологий разводки и изготовления платы.

Если рабочие характеристики важнее стоимости, можно использовать экзотические гибриды тефлона или керамики, такие как гибридные материалы для подложек Duroid корпорации Rogers, предназначенные для использования в сверхвысокочастотных или сверхвысокоскоростных цифровых схемах. Превосходные контролируемые диэлектрические свойства материала могут обеспечить в два или три раза меньшую паразитную ёмкость и утечку, чем позволяют свойства FR4, но при двукратном-пятикратном повышении стоимости.

Платы также требуют специальных процессов изготовления и травления, которые могут оказаться неприемлемо сложными для некоторых цехов по изготовлению плат. Мягкий гнущийся материал 3003 от компании Rogers, который является усиленным керамикой ПТФЭ, требует подложки для обеспечения механической прочности. Rogers 5880 (усиленный стеклом ПТФЭ) даёт наилучшие характеристики по слабому току и паразитной ёмкости, но он слишком хрупок и легко трескается. Можно создать гибридную плату из улучшенных материалов для критически важных слоёв и из FR4 для некритических слоёв и механической прочности. Однако такой подход является дорогостоящим и требует использования самого современного цеха по изготовлению плат.

Будьте осторожны при нанесении паяльной маски. Хотя паяльные маски обычно помогают снизить инфильтрацию влаги в материал платы, но при больших площадях тефлона могут возникнуть проблемы с поверхностным зарядом. Лучше будет использовать защитную зону в виде плоскости из чистой меди (без маски) вокруг чувствительных узлов. Во избежание окисления либо сделайте эту зону слоем пайки компонентов, либо позолотите или залудите её.

Экранирование, защита, ограждение

Вы подсоединяете проводом металлический экран, корпус или некое иное ограждение к заземлению или общему потенциалу. Однако при высоких полных сопротивлениях эти экраны создают проблемы с паразитной ёмкостью и утечками. Рассмотрим, например, цепь с входным напряжением 2,5 В и смещением 2,5 В в каналах паразитной ёмкости и утечек (рисунок 1). Напряжение 2,5 В на сопротивлении утечки создаёт ток утечки, а источник напряжения 2,5 В заряжает или разряжает паразитную ёмкость, на что требуется некоторое время, чтобы справиться с высоким полным сопротивлением источника, — а это влияет на время стабилизации измеряемой величины.

 Схема цепи с входным напряжением 2,5 В и смещением 2,5 В

Рисунок 1. Схема цепи с входным напряжением 2,5 В и смещением 2,5 В в каналах паразитной ёмкости и утечек

Защиты имеют большое значение в субпикоамперных схемах, поскольку они могут подавлять токи утечки на входе и большую часть ёмкости креплений. Вы запитываете защиту потенциалом, равным уровню входного сигнала. Для этого вы применяете буферированный выход, идущий из измерительного усилителя. Эта защита работает как субэкран, окружающий и защищающий линии входного сигнала. Внешние утечки теперь втекают в защиту с низким полным сопротивлением вместо входных дорожек (рисунок 2). Такой метод даёт всего несколько милливольт разности потенциалов вместо 2,5 В между линиями, и через резистор утечки RLEAK и конденсатор паразитной ёмкости CSTRAY протекают меньшие токи. В качестве бонуса защиты также снижают входную ёмкость благодаря эффекту самонастройки. Если этот метод будет применён правильно, он может нейтрализовать ёмкость крепления и кабеля. К сожалению, невозможно нейтрализовать ёмкость входного каскада усилителя.

 Схема защиты с низким полным сопротивлением

Рисунок 2. Схема защиты с низким полным сопротивлением, подавляющая внешние утечки на входе

Разместите входные дорожки и все чувствительные компоненты обратной связи на своей плате внутри периметра широких медных защитных дорожек (рисунок 3). Затем уберите из этой зоны паяльную маску, чтобы снизить поверхностные заряды. Буферный усилитель A2 управляет защитным контуром. В инвертирующих и трансимпедансных схемах вы доводите потенциал защиты до того же потенциала, что и узел неинвертирующего входа, и подаёте потенциал на неинвертирующий контакт буфера защиты. Неинвертирующий узел имеет низкое полное сопротивление, и буфер не оказывает воздействия на работу цепи. Защита должна закрывать всю входную секцию, инвертирующий узел и резистор обратной связи. Распространите её как можно дальше в цепь датчика без воздействия на его работу.

 Размещение на плате входных дорожек и чувствительных компонентов обратной связи

Рисунок 3. Размещение на плате входных дорожек и чувствительных компонентов обратной связи внутри периметра широких медных защитных дорожек

При проектировании неинвертирующего режима доведите потенциал защиты до того же потенциала, что и инвертирующий входной узел, — через буфер. Этот узел следит за входным сигналом посредством обратной связи усилителя. Примите меры, чтобы ёмкость входа буфера не вызвала образования пиков из-за ёмкостной нагрузки инвертирующего узла. Усилитель мощности защиты должен быть способен к единичному усилению и защищён от коротких замыканий и внешних перенапряжений. Полоса пропускания буфера должна быть немного шире полосы пропускания главной цепи, чтобы уменьшить ошибки фазового запаздывания. Избегайте пиковых выбросов в буфере защиты, чтобы предотвратить нестабильность системы. Заземлённый экран защищает цепь от внешних шумов и ЭМ-помех путём шунтирования помех на землю. Поскольку заземлённый экран, как правило, не отслеживает входное напряжение, он не подавляет ёмкости, порождаемой защитой.

В предыдущих примерах вы буферировали линию защиты узла цепи с помощью отдельного усилителя, обеспечивая низкое полное сопротивление для управления экранами и защитами коаксиального кабеля. Если вам нужно защитить небольшое пространство, можно «извлечь» локальную защиту из противоположной входной клеммы. Не забывайте о том, что локальная защита также добавляет ёмкость в узел, к которому она подключается. Эта ёмкость может приводить к формированию пиков в конфигурациях неинвертирующих усилителей. Если противоположный узел имеет высокое полное сопротивление, защита может вносить внешние помехи в суммирующий узел, если только вы не экранируете саму защиту. Не используйте небуферированную защиту для управления внешними схемами. Используйте её только для прилегающей зоны, окружающей устройство.

Имейте в виду, что защита — это не заземление, а заземление, как правило, не является защитой. Линии защиты не должны переносить никаких токов, кроме утечек, и с ними нужно обращаться, как с сигнальными линиями. Для эффективных схем используйте защиты и заземления совместно. Защита окружает входную дорожку, а заземлённые экраны предохраняют защиту от внешних помех. При компоновке платы разместите плоскость защиты или дорожки защиты под сигнальными дорожками. Соблюдайте осторожность, чтобы не слишком раздробить слой питания или заземления. Окружите входную цепь защищённым коконом с помощью металлических экранов на видимых сторонах компонентов и дорожках защиты в слоях под чувствительными узлами.

Вы должны заключить слаботочные цепи в герметизированную среду. При возможности вложите пакет с осушителем для поглощения любых признаков влаги. Точки входа, выхода и управления должны быть воздухонепроницаемыми. Для слаботочных измерений можно использовать триаксиальные кабели и разъёмы. Такой кабель содержит как наружный заземляющий экран, так и внутренний экран защиты вокруг центральной жилы, при этом защита доходит до точки измерения. В коммерческом испытательном оборудовании часто используются триаксиальные разъёмы BNC Trompeter серии 70. Agilent предпочитает стиль с тремя ушками, а Keithley — с двумя ушками.

Выбор компонентов. Воздействия, обусловленные выбором компонентов. Резисторы

Цепи с высоким полным сопротивлением по своей природе влекут за собой использование высокоомных резисторов (рисунок 4). Номиналы лежат в пределах от килоом до сотен мегаом и даже до десятков тераом.

 Мультигигаомные резисторы в стеклянных корпусах

Рисунок 4. Мультигигаомные резисторы в стеклянных корпусах

Помимо обычных, связанных с резисторами ошибок, которых мы ожидаем, — обычного разброса номиналов и температурного коэффициента (tempco), — есть другие ошибки, которые имеют большое значение в этих цепях.

Высокоомные резисторы генерируют много шума (рисунок 5). Любимое тепловое уравнение м-ра Джонсона даёт очень большие числа при его решении для очень больших значений сопротивления. Резистор номиналом 10 МОм генерирует 2,4 мкВ п-п шума при ширине полосы пропускания всего 1 Гц. Резистор номиналом 1 ГОм генерирует 24 мкВ п-п шума при той же полосе пропускания — 1 Гц.

 Тепловой шум резистора

Рисунок 5. Тепловой шум резистора

Быстрым способом приближённо рассчитать в нВ/Гц среднеквадратичный шум резистора при комнатной температуре (25 °C) является умножение квадрата сопротивления на 0,13 (или 0,128299): среднеквадратичный шум резистора в нВ/Гц = 0,13×sqrt (R). (Умножьте среднеквадратичное значение на 6, чтобы получить Vp-p.)

Во многих случаях вы обнаружите, что шум больше ожидаемого уровня полезного сигнала. Поэтому важно ограничить ширину полосы пропускания измерения только тем, что требуется. Каждый дополнительный герц ширины полосы пропускания просто добавляет больше шума.

Экзотические материалы, используемые в конструкции высокоомных резисторов, также могут вносить дополнительный шум, который может увеличивать теоретический шум. Нет ничего необычного в том, что реальный шум окажется немного выше того, что было рассчитано для значения сопротивления.

Резисторы также могут иметь значительную параллельную ёмкость. Типовой резистор мощностью 0,25 Вт может иметь ёмкость от 0,15 до 0,5 пФ, параллельную с резистором. При рассмотрении высоких полных сопротивлений имеет значение каждый пикофарад, в особенности в случае контуров с высоким значением обратной связи.

Один из приёмов для снижения последовательно включённой ёмкости состоит в том, чтобы использовать несколько последовательно соединённых резисторов вместо одного резистора (рисунок 6). Таким образом, паразитные ёмкости располагаются последовательно.

 Последовательно включённые резисторы для снижения ёмкости

Рисунок 6. Последовательно включённые резисторы для снижения ёмкости

Если один резистор номиналом 10 МОм имеет ёмкость 0,2 пФ, тогда два последовательных резистора номиналом 5 МОм имеют ёмкость 0,1 пФ, пять резисторов номиналом 2 МОм имеют ёмкость 0,04 пФ, а десять резисторов номиналом 1 МОм имеют ёмкость 0,02 пФ. При числе резисторов более пяти эффект падает. Резисторы должны быть спаяны непрерывной цепью и все размещены над платой для получения наилучших результатов. Два или три резистора для поверхностного монтажа можно установить вертикально на одной контактной площадке.

Высокоомные резисторы также могут иметь коэффициент воздействия напряжения, когда значение сопротивления изменяется по мере увеличения напряжения на резисторе. Это наиболее очевидно при высоких напряжениях (> 100 В) и обычно не является большой проблемой для резисторов в цепи обратной связи со слабым сигналом, поскольку напряжения на них очень низкие или нулевые.

Некоторые из резисторов, в особенности мультигигаомных типов для поверхностного монтажа, изготавливаются на подложке из экзотических материалов и могут потребовать серебряного припоя или других особых предосторожностей при пайке. Очень внимательно изучите описание резистора и прочитайте замечания изготовителя по применению.

Не следует прикасаться к корпусам высокоомных резисторов, их следует очень осторожно брать за выводы во избежание попадания масел с рук на поверхности корпусов резисторов. Эти резисторы могут также иметь тонкое защитное силиконовое покрытие для герметизации от влаги, которое важно не повредить. Рекомендуется надевать перчатки, если нужно взяться за корпус резистора. Резисторы номиналами в тысячи гигаом, как правило, помещаются в стеклянный корпус для уменьшения утечек и защиты элемента. Снова внимательно прочитайте описание на предмет каких-либо предупреждений или инструкций по обращению и очистке.

Ёмкость

Есть два типа конденсаторов: умышленные и неумышленные. «Умышленные» конденсаторы — это те, которые вы намеренно устанавливаете в цепь, а «неумышленные» — это те, которые вы там не устанавливали, но которые естественным образом сопровождают каждый узел вашей цепи. Эти неумышленные конденсаторы известны как «блуждающие», поскольку каждый проводник, обращённый к другому проводнику, является конденсатором.

Из-за сверхвысоких полных сопротивлений, обычно связанных со слаботочными измерениями (> ГОм), эффекты от паразитной ёмкости деталей и цепей весьма широко распространены и их нельзя игнорировать. Несколько пикофарад паразитной ёмкости, о которых обычно не стоило бы и думать в «нормальной» цепи, могут стать большой неприятностью в цепях с высоким полным сопротивлением. Константы времени в мультигигаомном и пикофарадном мире могут достигать секунд и даже минут.

Именно ёмкость компонентов и паразитная ёмкость монтажа, а не полоса пропускания усилителя, обычно будут диктовать окончательную ширину полосы пропускания узла. Поэтому минимизация паразитной ёмкости имеет решающее значение, если требуется какая-либо существенная ширина полосы пропускания.

«Насыщение» (soakage) конденсатора, или диэлектрическая абсорбция

«Насыщение» конденсатора, или диэлектрическая абсорбция, — это кажущаяся способность конденсатора после разряда «помнить», до какого напряжения он был заряжен ранее.

О модели насыщения можно думать как о втором конденсаторе с очень большим подключённым последовательно сопротивлением, параллельном главному конденсатору (рисунок 7).

 Модель насыщения конденсатора

Рисунок 7. Модель насыщения конденсатора

Простое закорачивание главного конденсатора ёмкостью 1 мкФ не разряжает полностью «параллельный» конденсатор из-за наличия последовательного сопротивления. После этого параллельный конденсатор медленно подзаряжает главный конденсатор через это сопротивление. В результате получается, что напряжение разомкнутой цепи главного конденсатора медленно ползёт вверх до значения, близкого к исходному напряжению заряда.

Из-за высоких полных сопротивлений, обычно используемых в слаботочных цепях, этот эффект может быть заметной частью измерения, в особенности в конденсаторах выборки и хранения, интегрирования и даже в ёмкости некоторых изоляционных материалов.

Тип и качество диэлектрика или изоляции определяют величину насыщения. Тефлоновые и полимерные конденсаторы очень хороши, в то время как танталовые, керамические и большинство электролитических конденсаторов могут быть неудовлетворительными. Даже другие материалы, такие как поликарбонатные платы, разъёмы и изоляторы, могут иметь эффекты абсорбции. Боб Пиз (Bob Pease) написал статью, в которой он протестировал несколько типов конденсаторов на утечку. Как и ожидалось, тефлоновые и различные полимерные конденсаторы возглавили список с наименьшей абсорбцией, а танталовые, слюдяные и керамические имели наибольшую абсорбцию.

Для минимизации диэлектрической абсорбции узлы должны быть заземлены или удерживаться в состоянии минимальных потенциалов во время простоя, а конденсаторы должны быть закорочены резисторами с низким сопротивлением. Избегайте длительного сохранения высоких напряжений на измерительных узлах и не позволяйте интеграторам «катиться по рельсам» в течение длительных периодов времени.

Окончание следует.