Про аналоговый ключ Опции

[Diusha]

Синхронным детектированием выделяю маленький сигнал (микровольты): на вход ан. ключа («переключателя») подаю измеряемый сигнал (с выхода ОУ через R); на 2-х выходах (переключаемых синхронно с сигналом) – кондеры, разницу между ними усиливаю.
В качестве ключа взял 4051. Вроде всё хорошо получилось.
Вот в чем загвоздка. По ДШ у 4051 номинальный ток утечки 10пА (десять пикоампер), а максимальный – 200 нА (двести наноампер) (!!!).

Вопросы:

1. Откуда такой разброс, может эта макс. утечка реализуется в каких-то особых условиях?
2. Одинакова ли эта утечка для всех каналов в чипе?
3. Сильно ли она меняется при гулянии сигнала по диапазону ключа?
4. Сказали тут мне, что вообще такой маленький сигнал на ключ давать нельзя (независимо от утечки), надо сперва усилить; причины толком не объяснили. Есть ли здесь "доля шутки"?

[zzzzzzzz]

1. У Вас на плате лежит слой "грязи". Вы ведь не чистили её поверхность на молекулярном уровне? В воздухе летает пыль, вода, различные газы. Сам стеклотекстолит содержит целый букет жидкостей и примесей, оставшихся от производства. Корпус тоже покрыт разной дрянью.
Всё перечисленное - высокоомные резисторы, величина которых зависит от температуры, влажности и движения айсбергов в Арктике. Для оценки могу сказать, что без принятия спец. мер, ток утечки между соседними ногами ИС у Вас - порядка 1 нА.
2. Дифференциальная разница между токами утечки соседних ног, конечно, меньше. Оценим как порядок, т.е. 100 пА.
3. Может сильно. Зависит от условий. Не все "монтажные" паразиты линейны по сопротивлению. Также, внутренние диоды учитывайте. При приближении разницы между катодом и анодом к нулю (для Вас это к Vcc или GND), ток утечки диодов приближается к Io, - тепловой ток. Это для оценки. Аналогично верно для истоков-стоков транзисторов с обратно смещенными переходами.
4. Давать-то можно. Если учитывать ошибку и степень рассогласованности каналов. Как по токам, так и по сопротивлениям открытых и закрытых каналов. Правда, учесть это очень точно нельзя. Воспроизводимость схемы может оказаться нулевой в производстве.

[V_G]

Могу добавить, что разброс токов учитывает и диапазон рабочих температур. Обратные токи p-n переходов от температуры зависят экспоненциально.
А по малым сигналам - тут еще роль играет соотношение сопротивлений нагрузки и открытого канала. Чем оно больше, тем меньше вклад шумов коммутатора в общие шумы.

[Diusha]

Не все "монтажные" паразиты линейны по сопротивлению.

А вот про немонтажных паразитов. Nom=10pA, Max=200nA - из дш. Как это понять?

4. Давать-то можно. Если учитывать ошибку и степень рассогласованности каналов. Как по токам, так и по сопротивлениям открытых и закрытых каналов. Правда, учесть это очень точно нельзя. Воспроизводимость схемы может оказаться нулевой в производстве.

Т.е., советуете все-таки сначала усилить?

А по малым сигналам - тут еще роль играет соотношение сопротивлений нагрузки и открытого канала. Чем оно больше, тем меньше вклад шумов коммутатора в общие шумы.

Сопротивление нагрузки у меня нулевое - кондеры

[zzzzzzzz]

А вот про немонтажных паразитов. Nom=10pA, Max=200nA - из дш. Как это понять?

Так и понять. В самом "стерильном" случае, при полной минимизации паразитных токов, можете приблизиться к 10пА. Но, можете и не приблизится, если купите партию с УЖЕ имеющейся утечкой 200нА. Номинальное в данном случае - заявление "о намерениях", а 200нА - норма приемки при поставке.

Т.е., советуете все-таки сначала усилить?

Советовать можно только зная Вашу задачу детально. Усиление микровольтов тоже не такая уж тривиальная задача, если надо помнить о синхронизме двух усиливаемых сигналов. Исходя из мыслей о помехах и наводках - конечно лучше.

[Myron]

Сопротивление нагрузки у меня нулевое - кондеры

Как ЭТО? Приведите схему и рабочие частоты (или длительности импульсов – что у вас там).

[Diusha]

Усиление микровольтов тоже не такая уж тривиальная задача, если надо помнить о синхронизме двух усиливаемых сигналов.

Как ЭТО? Приведите схему и рабочие частоты (или длительности импульсов – что у вас там).

Cигнал один, двумя он становится на выходе (вернее, выходах) 4051.
Схему в виде картинки привести не могу; если поможете и с этим, буду премного благодарен.
А пока могу только на словах. Есть источник очень маленького сигнала и (он же) очень большой помехи. Эта смесь идет через резистор на вход 4051 (н.3), который м.б. подключен к одному из 8-х выходов, из которых я использую два (нн.13 и 14). К этим выходам подключено по кондеру.
Полезный сигнал прямоугольный, переключаю выходы синхронно с ним. Получается 2 интегратора с общим резистором.
Длит. импульсов - миллисекунды.

Сообщение отредактировал Diusha - Dec 14 2009, 04:12

[st232bd]

А какие напряжения смещения у ОУ на выходе 4051, если на входе микровольты? Сигнал по перемнному току наверное должен быть усилен до уровня много большего, чем напряжения смещения той части, где вы усиливаете разность постоянных напряжений. Поставьте операционничек, и не надо будет пикоамперы калькулировать.

[Diusha]

На выходе 4051 - прецизионный Максимовский диф. усилитель. Постоянное смещение даст постоянную добавку. Это не страшно, но если она будет по величине как сигнал... Да, спасибо, что напомнили. Надо будет как-то с этим смещением бороться.

Поставьте операционничек, и не надо будет пикоамперы калькулировать.

Не совсем понял: куда операционничек?

[st232bd]

Перед 4051, если я правильно понял вашу схему. Усильте ваш сигнал по переменному току, и требования как ключу, так и к диффусилителю резко упадут.

[Designer56]

1. У Вас на плате лежит слой "грязи".
......

Присоединяюсь.
По опыту, утечки по грязной плате могут создать на относительно высокоомных цепях (0,5- 1 МОм) падение напряжения даже не мкВ, а единицы мВ. Возможно и больше, это как испачкать. Против этих вещей наработаны свои методы.
1. Отказ от активных флюсов при пайке и тщательная отмывка/сушка ПП.
2. Покрытие поверхности ПП водооталкивающими лаками. Обычно, лаки типа УР соответствующих марок, предназначенные для защиты аппаратуры в условиях повышенной влажности.
3. Специальные дорожки ПП- охранные кольца вокруг чувствительных цепей, присоединенные к узлам схемы, имеющим равный или близкий потенциал с вышеупомянутыми цепями. Эти кольца захватывают токи утечки на себя. Импеданс узлов, к которым присоединяются охранные кольца относительно общего провода желателен низкий. Иногда приходится использовать повторители.
4. Монтаж выводов элементов чувствительных к утечкам цепей не в отверстия или на контактные площадки, а к специальным штырькам, в свою очередь, смонтированных на ПП на фторпластовых вставках.
5. Предварительное усиление сигнала и дальнейшая его обработка низкоомными цепями.
Первые 2 пункта обязательны для обработки слаботочных сигналов всегда.
3 и 4 используются либо по отдельности, либо комбинированно- в зависимости от требований к устройству.
Усиление прецизионным усилителем по простому может даже ухудшить ситуацию, если полезный сигнал замешан с широкополосным шумом достаточно большого уровня. Прецизионные ОУ имеют достаточно низкую частоту среза АЧХ в разомкнутом режиме, соответственно- глубина ОС сохраняется приемлемой в относительно узкой полосе частот. При воздействии ВЧ сигналов непосредственно на усилитель может проявится его нелинейность, грубо говоря, получится что-то вроде детектора помех, добавляющего свою составляющую к погрешности. Т.е. желательно в таких случаях сигнал отфильтровать до усилителя (если возможно). Кроме того, схему и монтаж усилителя (и фильтра, если он требуется) делать приходится с соблюдением вышеуказанных правил.
Кроме того, п.п. 3 и 4 подразумевают применение штырьковых корпусов элементов. И море спирта при промывке, вибро или ультразвуковая мойка, обязательно минимум в 2-х растворах, грязная (первичная) и чистая. Читал, что есть мойка методом испарения раствора и орошения сконденсированным из пара чистым раствором сверху, что обеспечивает непрерывность процесса, но у нас такой не было.
Это все если нужно получить повторяемость в серийном производстве и стабильность работы устройства.

П. С.: Ещё нужно иметь ввиду термо ЭДС на всех контактах ПП. Монтаж, соответственно, делается таким, чтобы это дело минимизировать. Грязная плата, кроме того, создает ещё и электрохимические ЭДС в общем случае.

[Diusha]

Усиление прецизионным усилителем по простому может даже ухудшить ситуацию, если полезный сигнал замешан с широкополосным шумом достаточно большого уровня. Прецизионные ОУ имеют достаточно низкую частоту среза АЧХ в разомкнутом режиме, соответственно- глубина ОС сохраняется приемлемой в относительно узкой полосе частот.

В моем случае полоса частот <1Гц, и прецизионный усилитель усиливает уже практически постоянную разницу U между кондерами, которые все шумы уже отфильтровали.

Спасибо за полезные рекомендации!

[ArseGun]

Замечание по поводу коммутации низкоуровнего сигнала. В этом случае возникает серьезная проблема, связанная с проникновением в выходной сигнал паразитного сигнала с частотой коммутации ключа. Зачастую уровень этой помехи может значительно превысить полезную состовляющую. Проникновение происходит в первую очередь через паразитные емкости, как монтажные (с чем еще можно бороться), так и конструктивные, связанные с особенностями конструкции монолитного ключа (на что повлиять невозможно). Хорошо эта проблема известна при конструировании УВХ. Степень проникновения сигнала коммутации в полезный сигнал можно снизить, уменьшая скорость нарастания фронта сигнала переключения. Однако стоит соблюдать баланс, т.к. значительное затягивание фронта сигнала коммутации может привести к заметному ухудшению других характеристик синхронного детектора. Наиболее радикальный способ, как уже отмечалось выше, максимально возможно усилить полезную составляющую сигнала перед коммутацией.