El amplificador mide el giro de la placa (¡desafortunadamente!)

Bueno, esto es difícil, aunque bastante simple. ¿Alguien tiene experiencia con el giro de la placa que afecta a su circuito?

Tenemos un diseño de placa que se supone que mide una celda de carga. Finalmente hemos rastreado una falla de precisión del sistema hasta el amplificador IC. Cuando giramos la placa, el amplificador IC cambia su salida.

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RM agregado:

Circuito:

Hoja de datos aquí

La ganancia es 100,000 / R7 = ~ 454.5 de acuerdo con la hoja de datos p15.

Obtengo + 80mV cuando giro la placa desde sus 4 esquinas. Estoy usando la cantidad de giro que uso para desbloquear mi automóvil con la llave de mi automóvil. Obtengo -80mV cuando giro hacia el otro lado. La cantidad de torsión es proporcional a la variación en el voltaje de salida.

Alternativamente, si pongo, digamos, la presión típica del 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, acorté su entrada y desconecté otros circuitos para que lo que ves en el diagrama sea con lo que estamos probando.

Estoy atascado. ¿Qué principio de física causaría esto? ¿Cómo puedo prevenirlo?

Notas:

1. Esta es una falla del sistema, no una falla de placa única . Sucede en todos nuestros tableros.
2. He intentado volver a soldar los pines. Ese no es el problema.
3. No es la resistencia de ganancia R7. Lo puse en cables largos para probar su giro por separado. Torcerlo no hace ninguna diferencia.
4. La resistencia R7 es de 220 ohmios, lo que equivale a una ganancia de amplificador de 456
5. El riel de la fuente de alimentación, AVdd, mide estable a 3.29V
6. El IC es el AD623ARM estándar de la industria (paquete uSOIC)
7. Para aquellos que realmente deben verlo, aquí está el tablero, aunque me temo que generará más pistas falsas que respuestas:

Hay efectos conocidos como este que deben tenerse en cuenta para los circuitos de alta precisión. Los gradientes térmicos también pueden tener efectos adversos, orientación de componentes a través o a lo largo de tensiones y gradientes térmicos, etc.

Por supuesto, tenemos que adivinar porque no podemos saber mágicamente qué 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 paquete SOIC pequeño no es muy compatible (es decir, rígido), por lo que las tensiones se traducen directamente en el suelo de la cavidad del troquel del paquete y luego a través del troquel se unen al sustrato de Si. El estrés puede afectar negativamente el rendimiento del Si al afectar la movilidad de electrones / agujeros y el Si tiene resistencia piezoeléctrica conocida (a través de efectos similares de cambios en la red).

De hecho, Intel utiliza el estrés localizado para aumentar el rendimiento de los transistores PMOS en algunos nodos de proceso. Al diseñar circuitos de precisión en silico, se recomienda que los amplificadores sensibles en Si no tengan capas metálicas sobre ellos para que los transistores no se vean afectados negativamente. (pero aquí es un problema coincidente).

Para probar la hipótesis: recomiendo desoldar el amplificador, y luego conectar pequeños trozos de PTH (la resistencia funcionaría) conduce a levantar el paquete de la PCB para que el estrés no se traduzca en el paquete. Una vez que hayas jugado con esto y lo hayas vuelto a encender. Debería ver un cambio y, por lo tanto, una verificación. Use las nuevas "patas" como miembros conformes. O use una trenza de soldadura si quiere dejarse llevar realmente.

Soluciones? una versión DIP de la misma parte tendrá menos problemas porque los leads son compatibles. En ese caso, se puede usar un compuesto térmico compatible debajo del paquete para obtener calor.

También debe considerar el diseño de su tablero como un factor contribuyente. Quizás ejecutar refuerzos (en el diseño existente) como prueba ayudará a eliminar / estudiar el problema. Tendría piezas epoxy más rígidas de FR4 (en el borde) solo para ver.

Tiene una ganancia bastante grande en el amplificador operacional. ¡Los 80mV que ve corresponden a aproximadamente 100uV en la entrada! Cualquier cosa que haga que ponga 0.1mV extra en una entrada explicará su observación. Incluso solo tocar el tablero en el lugar equivocado podría hacer esto.

La respuesta simple es "no tuerza el tablero". Móntelo de manera que este no sea el problema, tal vez en una esquina.

Soy curioso. ¿Estás viendo un problema estático o un problema dinámico? Montar una placa es algo estático, que no debería cambiar con el tiempo. El desplazamiento de entrada (si eso es lo que es) que está viendo cuando gira la placa está dentro de las especificaciones para el AD623 con esta ganancia. Si un ESTÁTICO de 80 mV en la salida es un problema aquí, ha especificado el chip incorrecto. Eso no quiere decir que espere que una intervención mecánica cambie el desplazamiento de entrada, por supuesto, simplemente que se espera un desplazamiento estático de este tamaño con este IC.

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 que los condensadores están en la placa. Los condensadores son notoriamente sensibles al estrés y pueden inducir fácilmente señales en circuitos de precisión como este debido al estrés o la vibración.

Sin embargo, su circuito tal como está dibujado no contiene ningún condensador en lugares donde deberían poder hacer esto.

Eso me hace pensar que hay algunos condensadores en su circuito que no ha dibujado.

Lo que viene a la mente es el parásito entre las entradas del amplificador (pines 2 y 3) y cualquier potencia cercana o planos de tierra. Es una práctica común colocar aberturas en los planos de potencia y tierra debajo de los nodos de alta impedancia en un circuito de precisión como este. En el caso del AD623, las entradas tienen aproximadamente 2 Gigohm de resistencia de entrada equivalente, y también está aplicando una alta ganancia a cualquier señal inducida (diferencialmente) en esos pines.

Si no cortó la alimentación / tierra de debajo de sus pines de entrada 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 esto creando el tipo de señales de desplazamiento que estás viendo.

Es menos probable que esta hipótesis sea correcta dado que está probando con los pines de entrada en corto, pero lo comprobaría si los otros problemas no resultan.

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

He quitado completamente el paquete de la placa y lo probé sin una placa conectando cables a una barra de pan. El estrés en el chip solo todavía tiene el mismo efecto.

Mis pruebas posteriores muestran que el paquete uSOIC que estoy usando es aproximadamente 10 veces peor (más sensible al estrés) que el paquete DIP. Esto es consistente con la variación especificada de la hoja de datos para la parte uSOIC. Creo que puedo usar un siguiente giro estándar de SOIC.

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

[Greg Bauer]: Me pregunto si esto se debe a una deformación del CI (como sin duda está pensando) que está dando como resultado un manómetro equivalente o una reacción del manómetro en el silicio del extremo frontal del amplificador. Como el amplificador tendrá sus propias entradas diferenciales, cualquier efecto que desequilibre esa entrada causará una variación en los voltajes de compensación de entrada que luego se amplifican (¿por ganancia de bucle abierto?) Y luego a la salida.

Puede que tenga que pensar un poco más sobre esto.

Sé que en los viejos tiempos, cuando los semiconductores eran rocas y los dinosaurios reinaban, si presionas la pieza de silicio en un amplificador operacional 2N3055 o LM301, obtienes algunos efectos interesantes: de hecho, la onda de sonido apuntada a una lata de metal de la vieja escuela LM301 con la tapa quitada se recogería como un micrófono muy muy increíblemente muy pobre (estaba jugando con estos amplificadores operacionales en ~ 1976).

[Gary Anderson]: Parece que está operando su amplificador como un medidor de tensión. Cuando gire la placa, también estará girando la matriz del amplificador, lo que provocará ligeros cambios en las resistencias dentro del amplificador. Los cambios de 80mV están dentro de las especificaciones de esta parte. (Voltaje de compensación de entrada de 200 µV multiplicado por 454 = 90 mV.)

¿Tiene algún problema con la flexión del tablero en su aplicación? Si es así, es posible que deba enrutar ranuras en su placa para desestresar las partes sensibles. Lo mejor es no doblar el tablero.

No puede esperar hacer una prueba sensata con el AD623 configurado en su diagrama de circuito. Aunque tiene entradas en cortocircuito, deben tener la capacidad de "liberar" sus respectivas corrientes de polarización de entrada a tierra:

No digo que su circuito de trabajo real sea problemático en esta área, solo su configuración de prueba. Sin embargo, si su circuito "adecuado" no tiene componentes que puedan eliminar estas corrientes de polarización, tendrá este tipo de problemas.