В7-49 — модификации TIA

Как я и сообщал ранее, В7-49 очень простой и интересный для модификаций прибор. Мне достался неудачный экземпляр, у которого были значительные проблемы с дрейфами, но их удалось решить.

Конечно помимо описанного тут, прибору надо еще поменять и некоторые другие вещи, такие как дисплей и конденсаторы, но об этом я наверное расскажу позже, а сегодня мы с Вами вплотную займемся TIA.

 

 

Подробности под катком.

Первое что бросается в глаза в данном приборе, это нестабильность нуля. Прогрев компонентов прибора с 25 до 42 градусов, то есть до нормальной температуры прогретого прибора давал дрейф как минимум 130 единиц младшего разряда, что равно 13 фА на минимальном диапазоне 1пА. Это довольно дохрена. Мы с BSW_M активно поизучали проблему и стабилизировали все узлы кроме входной сборки полевых транзисторов, но это не помогло.

Как метод кардинального решения проблемы было решено заменить ядро TIA(TransImpedance Amplifier) на современную элементную базу, чтобы решить проблему дрейфов.

В качестве входного электрометрического буфера был выбран один из новейших электрометрических ОУ — Analog Devices ADA4530-1. На базе этого ОУ можно напрямую создавать TIA каскады, но применительно к схемотехнике В7-49 он немного не подходит. Все дело в том, что TIA этого прибора должна давать на выходе от -10В до +10В, а ADA4530-1 для этого недостаточно высоковольтна, максимум питания у нее +-8В двухполярки. По этому ее было решено включить по схеме единичного усиления, то есть по сути сделать из нее буфер с сверх-высоким входным сопротивлением. Само ядро TIA я собрал на довольно интересном ОУ Analog Devices OP177F, этот ОУ отлично подходит для этих применений и до кучи имеет цепи коррекции смещения входов. Благодаря чему, можно вывести «в ноль» смещение всего каскада TIA всего одним подстроечником. Для справки, в оригинале ноль 49-ки настраивается тремя подстроечниками, что конечно весьма олдскульно, прикольно, но ни фига не юзабельно.

Старый концепт ядра TIA был демонтирован: (на подписи красным не обращайте внимания)

На его место встало обновленное решение:

Эту схему было решено оформить в виде небольшой мезонинной платки:

Я решил не убивать вход АДы емкостями текстолита и не заморачиваться с GUARD’ами, по этому критичный вход чипа был выпрямлен плоскогубцами, в результате чего оказался полностью оторванным от печатной платы и подвешенным в воздухе. В качестве подстраховки, 70% всей площади чипа я закрыл GUARD’ом со стороны платы, чтобы максимально избежать утечки «вход->материал корпуса чипа->плата». В качестве контрольного выстрела в голову — под этой ножкой я снял с GUARD’а маску.

Сама ада паялась с применением очень малого колличества высокоомного флюса Nordson EFD FluxPlus 6-412-A, купленного у официального представителя Nordson в РФ. А после пайки все было промыто с Cramolin FluxOff и высокочистым Метанолом.

Плата была кустарно припаяна внутри экрана кучкой МГТФ-а к штатным цепям электрометра, а подстроечный резистор Vishay 10K 10ppm/C Y505110K0000J0L был размещен там-же где стояли штатные резисторы подстройки нуля, чтобы можно было корректировать ноль не вскрывая прибора.

В концепте TIA 49-ки есть еще одно проблемное место, это 10ГОм и 100ГОм опорные резисторы, их допуск хоть и абсолютно неважен, но ТКС играет большую роль. А видимо в СССР в те года не умели делать столь высокоомные резисторы с хорошим ТКС, по этому они оказались просто ужасны, что влияет на дрейф измерения малых токов.

По результатам обмера они показали ТКС в тысячи ppm/C

Их было решено оживить заменой на топовые вакуумники Ohmite RX-1M, с ТКС 50 ppm/C, что серьезно меньше разрешения прибора.

Получилось конечно колхозно, не спорю:

Но приборчик просто встал колом, и теперь его можно смело назвать «Keysight/Keithley RIPer» crazy Потому как его шумовая полка провалилась куда-то за десятки атто-ампер по девиации Аллана:

А график в абсолютных значениях даже не дает намеков на дрейфы, и имеет весьма скромный размах:

Дрейфы никакие не фиксируются вообще, тотально никакие, несмотря на то что замер произведен в неконтролируемом температурном окружении.

В то-же время, мой Кейсайт B2985A за 10 килобаксов, в очень тепличных условиях, только с третей попытики смог показать шумовую полку хоть как-то напоминающую В7-49:

В то время когда Кейсайту требуется приложить нечеловеческие усилия для получения минимальных шумов и дрейфов нуля, В7-49 это делает играюче.

Что касается дрейфа холодный прибор — горячий прибор, то он снизился с 13 фА до 0.2 фА. Такой результат моему Кейсайту даже и не снился.

Мне тут недавно высказывали замечание, что я сильно стебаюсь над приборами от Keithley, да это действительно так. Ну сами посудите, при цене в десятки раз выше чем наша старая отечественная техника, они имеют характристики хуже, чем даже самый простой МНИПИшный электрометр, ну… пусть даже немного и доработанный.