El amplificador mide la torsión del tablero (¡desgraciadamente!)

Question

Bueno, esto es difícil, aunque bastante sencillo. ¿Alguien tiene experiencia con giro del tablero que afecta a su circuito?

Tenemos un diseño de placa que se supone que mide una célula de carga. Finalmente hemos localizado un fallo de precisión del sistema hasta el CI del amplificador. Cuando giramos la placa, el CI del amplificador cambia su salida.

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Añadido RM:

Circuito:

Hoja de datos aquí

La ganancia es de 100.000 / R7 =~ 454,5 según la hoja de datos p15.

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Obtengo +80mV cuando giro la placa desde sus 4 esquinas. Estoy usando la cantidad de giro que uso para abrir mi coche con la llave del coche. Obtengo -80mV cuando giro hacia el otro lado. La cantidad de giro es proporcional a la variación de la tensión de salida.

Alternativamente, si pongo, digamos, la típica presión de un lápiz en la parte superior del CI, obtengo +20mV. Esta es la esquina más sensible del CI, cerca del pin 1.

Para aislar el circuito del amplificador, he puesto en cortocircuito su entrada y he desconectado otros circuitos de él, de modo que lo que se ve en el diagrama es con lo que estamos probando.

Estoy atascado. ¿Qué principio físico podría causar esto? ¿Cómo puedo evitarlo?

Notas:

1. Se trata de un fallo del sistema, no un tablero único fallo. Ocurre en todos nuestros tableros.
2. He intentado volver a soldar las clavijas. Ese no es el problema.
3. No es la resistencia de ganancia R7. Lo he puesto en cables largos para probar su torsión por separado. La torsión no hace ninguna diferencia.
4. La resistencia R7 es de 220 ohmios lo que equivale a una ganancia del amplificador de 456
5. El raíl de alimentación, AVdd, se mantiene estable a 3,29V
6. El CI es el estándar industrial AD623ARM (paquete uSOIC)
7. Para aquellos que realmente deban verlo, aquí está el tablero - aunque me temo que planteará más pistas falsas que respuestas:

Answer 1

Hay efectos conocidos como éste que hay que tener en cuenta para los circuitos de alta precisión. Los gradientes térmicos también pueden tener efectos adversos, la orientación de los componentes a través o a lo largo de los gradientes de tensión y térmicos, etc.

Por supuesto, tenemos que hacer algunas conjeturas porque no podemos saber mágicamente lo que hay en el paquete. Pero una suposición educada es que la matriz está unida eutécticamente o pegada muy rígidamente al fondo de la cavidad del paquete. Un encapsulado SOIC pequeño es muy poco flexible (es decir, rígido), por lo que las tensiones se traducen directamente en el suelo de la cavidad del encapsulado y, a continuación, a través de la fijación del troquel, en el sustrato de Si. Las tensiones pueden afectar negativamente al rendimiento del Si al afectar a la movilidad de los electrones y los huecos, y el Si tiene una resistencia piezoeléctrica conocida (por efectos similares de los cambios de la red).

De hecho, Intel utiliza la tensión localizada para aumentar el rendimiento de los transistores PMOS en algunos nodos de proceso. Al diseñar circuitos de precisión in silico se recomienda que los amplificadores sensibles de Si no tengan capas metálicas encima para que los transistores no se vean afectados negativamente. (pero en este caso se trata de una cuestión de correspondencia).

para comprobar la hipótesis: Recomiendo desoldar el amplificador, y luego colocar unos cortos trozos de PTH (la resistencia funcionaría) para levantar el paquete de la PCB para que la tensión no se traslade al paquete. Una vez que has jugado con esto y lo has vuelto a encender. Deberías ver un cambio y por lo tanto una verificación. Utiliza las nuevas "patas" como miembros conformes. O utiliza una trenza de soldadura si quieres que se te vaya la mano.

¿Soluciones? una versión DIP de la misma pieza tendrá menos problemas porque los cables son compatibles. En ese caso, se podría utilizar un compuesto térmico compatible debajo del paquete para sacar el calor.

También debería considerar el diseño de su placa como un factor que contribuye. Tal vez el uso de refuerzos (en el diseño existente) como prueba ayude a eliminar/estudiar el problema. Yo pondría trozos más rígidos de FR4 (en el borde) para ver.

Answer 2

Tienes una ganancia bastante grande en el op-amp. Los 80mV que ves corresponden a unos 100uV en la entrada. Cualquier cosa que hagas que ponga 0,1mV extra en una entrada explicará tu observación. Incluso el simple hecho de tocar la placa en el lugar equivocado podría hacer esto.

La respuesta sencilla es "no tuerzas la tabla". Móntala de forma que este no sea el problema, quizás por una esquina.

Tengo curiosidad. ¿Estás viendo un problema estático, o un problema dinámico? El montaje de una placa es algo estático, que no debería cambiar con el tiempo. El offset de entrada (si es que es eso) que estás viendo cuando giras la placa está bien dentro de las especificaciones para el AD623 en esta ganancia. Si un 80mV estático en la salida es un problema aquí, usted ha especificado el chip equivocado. Esto no quiere decir que esperes una intervención mecánica para cambiar el offset de entrada, por supuesto, simplemente que un estático Se espera un desplazamiento de este tamaño con este CI.

Answer 3

Algunas de las otras respuestas tienen algunas buenas sugerencias, pero aquí hay una más. Cuando escucho que el estrés físico está cambiando el rendimiento de un circuito, inmediatamente sospecho de los condensadores en la placa. Los condensadores son notoriamente sensibles a la tensión, y pueden inducir fácilmente señales en circuitos de precisión como este debido a la tensión o la vibración.

Sin embargo, tu circuito, tal y como está dibujado, no contiene ningún condensador en lugares en los que deberían poder hacerlo.

Eso me hace pensar que hay algunos condensadores en tu circuito que no has dibujado.

La que me viene a la mente es la parásita entre las entradas del amplificador (pines 2 y 3) y cualquier plano de potencia o tierra cercano. Es una práctica común poner aberturas en los planos de potencia y de tierra por debajo de cualquier nodo de alta impedancia en un circuito de precisión como éste. En el caso del AD623, las entradas tienen una resistencia de entrada equivalente de unos 2 Gigohmios, y además estás aplicando una alta ganancia a cualquier señal inducida (diferencialmente) en esos pines.

Si no cortaste la alimentación/tierra por debajo de los pines de entrada de tu AD623 (y cualquier cobre conectado a ellos), entonces el estrés de la placa cambiará el valor de la capacitancia parásita, causando que la carga se mueva, y podría imaginar que esto crea el tipo de señales de desplazamiento que estás viendo.

Esta hipótesis es algo menos probable que sea correcta dado que estás probando con los pines de entrada en cortocircuito, pero yo lo comprobaría si los otros problemas no resultan.

Answer 4

Bien, déjame resumir. Las respuestas sobre el "efecto galga" o el efecto de la tensión del silicio en la movilidad parecen ser correctas. El efecto de la tensión en las entradas se multiplica por la ganancia del amplificador.

He retirado por completo el paquete de la placa y lo he probado sin placa conectando los cables desde ella a una placa de pan. El estrés en el chip por sí solo sigue teniendo el mismo efecto.

Mis pruebas posteriores muestran que el paquete uSOIC que estoy utilizando es unas 10 veces peor (más sensible al estrés) que el paquete DIP. Esto es consistente con la varianza especificada en la hoja de datos para la parte uSOIC. Creo que puedo usar un SOIC estándar en la próxima vuelta a la placa.

Answer 5

Algunos de mis amigos proporcionaron las siguientes dos respuestas que incluiré como referencia:

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[Greg Bauer]: Me pregunto si esto se debe a una deformación del CI (como sin duda estás pensando) que está dando lugar a una reacción de manómetro o galga de presión equivalente en el silicio del extremo delantero del amplificador. Como el amplificador tiene sus propias entradas diferenciales, cualquier afectación que desequilibre esa entrada provocará una variación en las tensiones de offset de entrada que se amplifican (¿por la ganancia de bucle abierto?) y pasan a la salida.

Tendré que pensar un poco más en esto.

Sé que en los viejos tiempos, cuando los semiconductores eran rocas y reinaban los dinosaurios, si se ejercía presión sobre la pieza de silicio de un 2N3055 o de un amplificador operacional LM301 se obtenían algunos efectos interesantes; de hecho, la onda sonora apuntada a un LM301 de lata metálica de la vieja escuela con la tapa quitada se captaba como un micrófono muy, muy increíblemente, pobre (estaba jugando con estos amplificadores operacionales en ~1976).

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[Gary Anderson]: Parece que estás operando tu amplificador como un medidor de tensión. Cuando retuerzas la placa también estarás retorciendo el troquel del amplificador, lo que provocará ligeros cambios en las resistencias dentro del amplificador. Las oscilaciones de 80mV están dentro de las especificaciones para esta parte. (200µV de voltaje de entrada por 454 = 90mV).

¿Tiene problemas de flexión de la placa en su aplicación? Si es así, es posible que tenga que hacer ranuras en la placa para destensar las partes sensibles. Lo mejor es no doblar la placa.