Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1991/D19910228Elc021.shtml

Так что же с этим фторопластом?

Robert A. Peas. What's all this teflon staff, anyhow? ED, 1991, No.3, pp.115,117.

Это было давным-давно, когда мой друг Арни Либерман разработал действительно хороший операционный усилитель с очень малым током смещения— не более 0,1 пА. Если бы вы захотели измерить такой малый ток, то вам не удалось бы просто измерить падение напряжения от этого тока на некотором резисторе, так как даже при сопротивлении 100 000 МОм трудно получить достаточное разрешение (умножение 0,1 пА на 100 ГОм дает всего 10 мВ). Поэтому Арни придумал тест с интегратором. Если на выходе этого усилителя наблюдается дрейф напряжения со скоростью 5 мВ/с при емкости конденсатора обратной связи 10 пф, то это означает, что входной ток усилителя равен 50 фА.

Однако интегратор нужно время от времени сбрасывать. Арни знал, что для закорачивания конденсатора обратной связи не так-то просто найти реле с достаточно малой утечкой и без неприятной наводки при подаче возбуждения на обмотку. Тогда он сам сделал «реле», введя в закрытую коробку, в которой производилось измерение, длинный стержень-толкатель. Этот стержень должен был замыкать контакты, закорачивающие конденсатор. После отпускания толкателя интегратор начинал интегрировать ток, и все, что нужно было сделать,— это измерить скорость нарастания напряжения на выходе и оценить значение входного тока: удовлетворяет ли оно известной норме. Все это работало прекрасно даже при токе в несколько фемтоампер.

Это работало прекрасно в 1971, 1972, 1973 гг. ... Правда, после начала проверки приходилось ждать много секунд, пока скорость стабилизировалась на уровне, позволяющем сделать правильный отсчет. В 1973г. на это уходила уже почти минута.

В 1974г., когда для получения хоть сколько-нибудь достоверного отсчета нужны были 3—4 мин, кто-то из отдела технического контроля пожаловался Арни, что за день удается проверить слишком мало изделий. Тогда Арни занялся исследованием измерительной установки. Некоторое время он был в недоумении. Что же приводило к нарушению процедуры измерений? Скоро он, однако, понял, что виновником является толкатель. В результате его перемещения взад-вперед, пусть и незначительного, интегратор становился неуправляемым. Но как это могло быть? Толкатель был сделан из фторопласта и перемещался во фторопластовых же втулках. Какое отношение имел толкатель к большой ошибке?

Как оказалось, проблема была именно здесь. Когда толкатель перемещался во втулках, он генерировал статический электрический заряд, создававший напряжение величиной тысячи и тысячи вольт. Если бы это был самый обычный изолятор, заряд быстро бы рассасывался. Но фторопласт — такой хороший изолятор, что заряд сохранялся долго, стекая через воздух. Какое-то количество заряда в течение многих секунд втекало в суммирующую точку усилителя.

Со временем фторопласт все больше обезвоживался, постоянная времени становилась все больше и больше, и, наконец, это привлекло к себе внимание. Арни заменил фторопластовый толкатель и фторопластовые втулки заземленным металлическим толкателем и заземленными втулками, оставив только крошечный фторопластовый наконечник на толкающем контакт конце. Проблема была решена. Какой же отсюда следует вывод? Даже если у вас есть самые лучшие материалы и прекрасная идея, но вы чуть-чуть неправильно их использовали, вы можете получить совершенно негодные результаты.

Недавно я проверял один из своих операционных усилителей — LPC662 с дополняющими МОП-входами. Ток смещения постоянно находился где-то в области 2—3 фА. Он был так мал, что измерить его действительно было трудно. У меня был интегратор с емкостью 10 пФ, как у Арни, но я хотел получить в 20 раз большее разрешение. Результаты были ненадежными, так как в сигнале наблюдались какие-то скачки. Сигнал надолго затягивался, и возникали дополнительные ошибки, если хороший усилитель проверялся после того, как вынут плохой. Кроме того, контакты не всегда обеспечивали нулевую ошибку в сырой день. Тогда я написал перечень нужных мне приспособлений и поручил своему новому технику Полу изготовить их.

Пол сделал ряд эффектных и смелых усовершенствований. Так, я полагал, что он воспользуется для записи нарастающего напряжения ленточным самописцем, а Пол взял цифровой осциллограф и запрограммировал его на выдачу ответа сразу в фемтоамперах.

Я попросил Пола собрать простую схему для включения 6-В язычкового реле (геркона), в которой напряжение возбуждения обмотки не приводило бы к прониканию заметного заряда в схему. Пол построил остроумную адаптивную схему, обыграв наличие некоторой разности между токами срабатывания и отпускания реле. На обмотку постоянно поступало напряжение величиной 2,6 В, а замыкание и размыкание контактов производилось подачей на обмотку импульса небольшого напряжения соответственно положительной или отрицательной полярности.

1. Нажать здесь для сброса 2. Убедитесь, что нет погрешности из-за фторопластового стержня. 3. Проверяемый прибор
1. Нажать здесь для сброса 2. Убедитесь, что нет погрешности из-за фторопластового стержня. 3. Проверяемый прибор

Я предупредил его, что если провода болтаются, они могут создать на входе значительный заряд и навести помеху. Пол подвесил всю схему на резиновых лентах, как на амортизаторах, благодаря чему сотрясения от шагов проходящих мимо людей не могли влиять на результат измерения.

Я предупредил его также, что скоро нам потребуется хороший разъем с малой утечкой, т.е. с фторопластовой изоляцией. Снова Пол показал себя лучше, чем я ожидал, достав большую фторопластовую пластину, сверху или снизу которой можно было смонтировать все компоненты.

Я объяснил Полу, что медленное восстановление после перегрузки вызывалось включением в цепь обратной связи серебряно-слюдяного конденсатора, обладавшего сильной диэлектрической абсорбцией. Я дал ему изготовленный собственными руками воздушный конденсатор с объемом воздушного пространства приблизительно 12*50*100 мм и емкостью 5 пФ. Конденсатор имел медные обкладки и медные экранирующие боковые стенки.

Зачем же я рассказываю вам все эти детали? Если я сделал тестер с замечательными характеристиками, позволяющими мне проверить действительно высококачественное изделие, зачем мне сообщать об этом конкурентам, чтобы каждый, кто хочет, мог воспользоваться таким замечательным тестером? Зачем я выдаю все эти так трудно давшиеся секреты?

Вот приблизительно сформулированный ответ: очень может быть, что, после того как я раскрыл свои секреты, какие-то конкуренты научатся выполнять контроль лучше и быстрее. Но быстрее научатся также и мои покупатели. Их больше, и важнее научить их, потому что они находятся только на начальном участке кривой обучения. Очень мало смысла в том, чтобы держать в секрете способ контроля, если покупатель бродит в.потемках. Просто нечестно заставлять покупателя гадать, как он может лучше проверить поставляемое ему изделие.

Заметьте, что это не то же самое, что рассказать заказчику все подробности о проведении у нас контроля (у нас есть тестеры — большие и дорогие установки фирмы Teradyne с чудовищными устройствами сопряжения и сложным программным обеспечением, и подробно рассказать каждому о методике каждого испытания было бы очень трудно). Но мы тем не менее чувствуем себя обязанными рекомендовать каждому покупателю хорошую, правильную схему контроля, которая даст тот же результат, что и наша аппаратура производственного контроля.

Ладно. Пол собрал это приспособление. Однако осталось несколько небольших проблем. Во-первых, нарастающее выходное напряжение вдруг подскакивало в произвольные моменты времени. Ситуация со скачками стала хуже, чем раньше. Кроме того, когда я попросил Пола проверить всю партию изделий, он согласился, но сказал, что на это потребуется больше одного дня.

Как? Я знал, что Пол может проверить всю партию менее чем за день, если не возникнут какие-либо неполадки. «Ладно,— сказал я,— разве тебе не хватит на одну проверку жииуты-другой?» Он ответил: «Выходной прибор зашкаливает и не приходит в себя и за две минуты». Что-то было не так. Только через три дня я стукнул себя по лбу в шесть часов утра — это был эффект фторопласта. Пол поставил вокруг схемы пропасть фторопласта, и накапливающийся на его поверхности заряд был основной причиной большого времени установления. Придя на работу, я попросил Пола покрыть как можно большую поверхность фторопласта алюминиевой фольгой и заземлить ее. Он сказал после этого, что время установления намного уменьшилось. Тогда он убрал фторопласт, и все задержки пропали. Все, как у Арни, и решение, как у Арни,— 16 лет спустя!

Следующая проблема была в этих проклятых скачках. Теперь мы могли запрограммировать тестер не просто на измерение нарастающего в течение 60 с сигнала, а на измерение в шести интервалах по 10 с. Если результат измерения одинаков в трех-четырех интервалах, то он и будет, вероятно, правильным, и мы просто выкинем интервалы, в которых наблюдался большой скачок. Так сделать было можно. Но откуда все-таки возникали эти скачки?

Скачок составлял всего 10 мВ или около того, всегда в одну и ту же сторону и в произвольные моменты времени. В старых приспособлениях не было так много скачков. Почему? Разгадка, по-видимому, находилась в том прекрасном большом конденсаторе, который я сделал сам. Время установления в схеме было действительно небольшим, и не было таких долгих затягиваний, как при серебряно-слюдяном конденсаторе. Но Пол обратился к какой-то литературе — к справочникам Кейтли, к книге Джири Достала1{Jiri DostaL Operational amplifiers Elsevier Scientific, 655 Avenue of the Americas, New York, NY 10010; (212)989-5800, цена около 113 долл.} — о космических лучах и зарядах.

Достал заметил, что если космические лучи, альфа-частицы или какие-то другие субатомные частицы высоких энергий проникают в вещество, это часто вызывает испускание электронов. Если рядом есть чувствительный датчик, на него из воздуха может попасть заряд в несколько тысяч электронов.

Не один электрон, а несколько тысяч. Скачки соответствующей именно этому явлению величины мы и наблюдаем, так как 5 пф, помноженные на 10 мВ,— это около 50 фК, т.е. 300 000 электронов. Так мы познали еще что-то и поняли, что если уменьшим объем воздуха вблизи чувствительной суммирующей точки контролируемого усилителя, то понизим частоту повторения этих маленьких скачков. Теперь мы делаем два конденсатора для цепи обратной связи. Мы не знаем, какой нужен, но предполагаем, что оба будут хороши.

Один — с воздухом в качестве диэлектрика, но его размеры всего 25*30 мм при расстоянии между обкладками 2 мм. По объему он по меньшей мере в 10 раз компактней старого воздушного конденсатора. Другой представляет собой отрезок перевитых проводов длиной 125 мм, один из которых — это голая шина, а второй — с изоляцией из... фторопласта. Если его использовать в подходящем месте, фторопласт на самом деле прекрасный материал. В свое время я расскажу, какой конденсатор мы применили и какие другие детали потребовались для измерения фемтоамперных токов. Разъемы? Реле? Ха!

На сегодня все. (Отзывы приветствуются.) РАП (Роберт А. Пиз), инженер. Адрес: Mail Stop C22500A, National Semiconductor, P.О.Box 58090, Santa Clara, CA 95052-8090 [ED, 1991, No.3, pp.115,117].

Об авторе

Роберт А. Пиз получил степень бакалавра по электронике в Массачусетском технологическом институте в 1961г. Сейчас — главный научный сотрудник в фирме National Semiconductor (Санта-Клара, шт. Калифорния).

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 64, No.03 (856), 1991г - пер. с англ. М.: Мир, 1991, стр.75

Electronics Design Vol.39 No.01 January 10, 1991 A Penton Publication

Electronics Design Vol.39 No.03 February 14, 1991 A Penton Publication

Robert A. Peas. What's all this teflon staff, anyhow? ED, 1991, No.3, pp.115,117.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Страничка ПИЗа





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1991/D19910228Elc021.shtml