Проектирование фемтоамперных цепей с низкой утечкой

Окончание.
Начало в №3-2016 бюллетеня «Компоненты TI»

Пауль Грох (Paul Grohe)

Методы слаботочного проектирования

a) Оставляйте детали в «подвешенном состоянии»

Для правильной работы критически важных субпикоамперных цепей могут потребоваться некоторые «необычные» методы конструирования.

Классическим слаботочным методом является метод разводки в «подвешенном состоянии», когда выводы компонентов на критическом пути или в критическом узле соединяются над платой. Эти выводы и проводники не вступают в контакт с платой, так что влияние печатной платы эффективно устраняется.

Для механической поддержки больших компонентов или плотно заполненных узлов можно использовать тефлоновые монтажные клеммники. Зона под компонентами должна быть сплошной голой плоскостью защиты.

Эта методика обеспечивает самые низкие утечки, наименьшую паразитную ёмкость и наилучшие общие рабочие характеристики по слабому току, но требует ручной сборки и трудновыполнима в условиях массового производства и ограниченного пространства платы. Не нужно помещать над платой всю цепь — только критически важные узлы. На рисунке 8 показан инвертирующий узел цепи, включающий входной сигнал, резистор обратной связи и конденсатор, которые припаяны непосредственно к отогнутой вверх ножке инвертирующего входа операционного усилителя (Op Amp).

 Разводка в «подвешенном состоянии»

Рисунок 8. Разводка в «подвешенном состоянии»

b) Используйте второй канал сдвоенного элемента

Маленькая подсказка: если вы проектируете цепь, в которой используется неинвертирующая конфигурация, используйте в качестве главного усилителя второй канал («B») сдвоенного элемента (рисунок 9).

 Стандартная разводка выводов сдвоенного операционного усилителя

Рисунок 9. Стандартная разводка выводов сдвоенного операционного усилителя

В стандартной сдвоенной разводке выводов неинвертирующий вход «B» находится дальше от отрицательного контакта источника питания, а также «защищён» сверху инвертирующим контактом, этот вход находится в углу корпуса для упрощения подключения к источнику. Имеется также больше места, чтобы пропустить дорожку защиты между контактом V- и неинвертирующим контактом «B». Усилитель в канале «A» можно использовать в качестве драйвера защиты.

Распределение контактов элемента с одним ОУ имеет ту же проблему, что и канал «A», где неинвертирующий вход находится вблизи источника питания. За исключением крошечной одноканальной микросхемы, может быть более выигрышным использовать сдвоенную версию, тем более если и та, и другая опции находятся в одинаковых 8-контактных корпусах.

с) Маленькие корпуса могут быть не так хороши...

Корпуса с более плотным расположением выводов имеют более высокие утечки. Это происходит, в основном, вследствие малого зазора между выводами и большей близости к линиям питания и другим контактам. Удельное сопротивление платы на квадрат остается таким же, но сближение контактных площадок уменьшает расстояние, уменьшая сопротивление.

Кроме того, более плотный шаг может быстрее захватывать грязь, а эти маленькие зазоры трудно хорошо прочистить. Это один из тех редких случаев, когда SOIC-8 был бы лучше, чем MSOP-8, если нет необходимости экономить пространство. Старый DIP-корпус остаётся наилучшим с этой точки зрения. По тем же самым причинам одиночный SOT-23 предпочтительнее одиночного SC-70.

Сравнение маленьких корпусов

Рисунок 10. Сравнение маленьких корпусов. Верхний ряд: SOT-23, SC-70, TSSOP-14; нижний ряд: SOIC-8 и MSOP-8

Предложения по проектированию и компоновке

Здесь даётся несколько предложений, которые стоит запомнить для собственно проектирования.

Защитные дорожки должны окружать все входные каскады. Обеспечьте защиту платы на внутренних слоях и на нижнем слое. Выход не нуждается в защите, поскольку у него низкое полное сопротивление, но он должен быть экранирован от входных каскадов.

Здесь важен компромисс между зазором до защиты и входной ёмкостью. Более широкий зазор между защитой и входной дорожкой снижает входную ёмкость.

Минимизируйте площадь поверхности входа, чтобы снизить эффекты паразитной ёмкости и ударной ионизации. Поскольку падение напряжения не является большой проблемой для пикоамперных уровней сигналов, а скорости, в общем-то, низкие, используйте самую узкую, насколько это возможно, ширину дорожки, чтобы снизить помехи. Используйте контактные площадки поверхностного монтажа (SMT) минимального размера, чтобы максимизировать пространство между площадками.

Закрепите все свободные провода. Чувствительные высокоимпедансные цепи «видят» перемещение провода (благодаря ΔC. В защищённой зоне провода перемычек или межсоединений должны быть оголёнными (без изоляции, предпочтительна лужёная сплошная медь).

Зоны платы с паяльной маской должны быть заключены в герметизированную защиту или экран, чтобы предотвратить попадание влаги и пыли.

Используйте для изоляции проводников ровно столько тефлоновой или другой изоляции, сколько требуется. Защитите остальную площадь. Берегитесь эффектов от зазоров, которые необходимы в цепях высокого напряжения.

Остерегайтесь использования на плате пластика и ленты. Используйте электропроводную ленту для защиты от статики.

Керамические конденсаторы являются пьезоэлектриками, механические вибрации и шумы будут создавать заряд на конденсаторе. Будьте осторожны при использовании керамических конденсаторов во входных и интегрирующих цепях, в контурах обратной связи, в цепях смещения.

Весь кожух должен быть герметизирован от воздействия окружающей среды, и если возможны проблемы с влажностью, следует использовать пакеты с осушителем. Эти пакеты должны легко заменяться пользователем или метрологической лабораторией в увязке с регулярной калибровкой и обслуживанием на месте эксплуатации.

Сведите к минимуму возможности изгибов и механических напряжений платы. Используйте несколько точек крепления платы или опоры и не крепите внешние элементы управления и разъемы за счёт одной только платы.

Как было сказано в начале статьи, успешное проектирование цепей на субпикоамперных уровнях требует иных практических приемов проектирования по сравнению с «обычными» цепями. Следуя приведенным выше простым рекомендациям, можно с первого раза достигнуть большого успеха.