Хорошо известно, что среди всех интегральных источников опорного напряжения (ИОН) самыми лучшими по параметру начальной точности были и остаются изделия Thaler Corporation, которые сейчас выпускаются под брендом родственной когда-то компании Apex Microtechnology [1, 2]. Именно эти ИОН в наиболее точной модификации могут обеспечить предел допускаемого отклонения выходного напряжения до +/-0,01%, а так же температурный коэффициент < 0,6 ppm/°C в широком диапазоне рабочих температур, при чём даже не имея встроенного термостата.
Пожалуй единственное, что омрачает столь радужную картину – высокая цена, которая варьируется от ~75$ за одну микросхему и до 285$ за готовую меру напряжения, которую ещё не так давно можно было купить у Doug Malone – владельца сайта voltagestandard.com. Впрочем, высокой цена была не всегда: катастрофический рост начался после «черного понедельника» 8 декабря 2008 г., когда компанию Thaler поглотил цифровой гигант Cirrus Logic. А ещё, помимо цены огорчает крайне малое количество информации о реальных характеристиках, а не тех, которые в даташитах представлены типовыми значениями, одинаковыми даже для изделий разных групп и назначения.
Хочу поделиться той небольшой статистикой, которую собрал за последние 7 лет. Она может оказаться полезной для оценки целесообразности приобретения ИОН Thaler/Apex, которые иногда появляются на вторичном рынке.
Немного о конструкцииМикросхемы ИОН имеют гибридную технологию и выпускаются на производственных мощностях фабрики Apex Microtechnology в г. Тусон (США, штат Аризона). Основное оборудование и технологические операции (на примере изготовления мощных усилителей) довольно подробно описал Steve Taranovich в своей статье для журнала EDN «Apex Microtechnology shows why hybrid ICs are still valuable to the electronics industry»:
https://drive.google.com/file/d/1esm0TQ ... sp=sharing (похоже, что работницам выдают не молоко, а очки за вредность)
Все ИОН строятся по одной их типовых схем, представленных на рисунке ниже. В качестве опорного элемента используется стабилитрон с заглублённым переходом и напряжением стабилизации 6,3 В. В ИОН с выходным напряжением менее 10 В падение напряжения на стабилитроне претерпевает два этапа масштабирования: предварительное деление резисторным делителем и усиление масштабным усилителем на ОУ с нелинейной ООС. Рабочая точка стабилитрона в этом случае формируется двухполюсником – стабилизатором тока на полевом транзисторе, подключенном непосредственно к шине питания.
Несколько иначе выглядит схема ИОН с напряжением 10 В. Во-первых, за счёт отсутствия предварительного деления падения напряжения. Во-вторых, по причине использования выходного напряжения ИОН для формирования рабочей точки стабилитрона. Благодаря этим изменениям 10-вольтовые ИОН теоретически должны превосходить остальные типы по таким параметрам, как коэффициент подавления нестабильности питания и нормированное эффективное напряжение шума.
Требуемое выходное напряжение и его температурный коэффициент в диапазоне от -55 до +125°С обеспечивается путём лазерной подгонки сопротивлений резисторов и термисторов в обратной связи ОУ по запатентованной методике [3]. Для сокращения подготовительно-заключительного и вспомогательного времени в ходе подгонки партии ИОН используется универсально-наладочное приспособление [4]. Процедура подгонки довольно сложная и требует нескольких итераций. Не смотря на полную автоматизацию, трудоёмкость подгонки для ИОН самой точной группы может составлять 1 рабочий день, после чего в течении 7 дней проводятся ускоренные испытания (электро-термотренировка, герметичность, вибростенд).
+10 В VRE310JЭтот ИОН относится к самой точной группе (допускаемое отклонение < +/-0,01%, ТКН < 0,6 ppm/°C) и, насколько мне известно, долгое время применялся в мультиметрах модели M3500A тайваньской компании PICOTEST. Ниже приведены результаты измерения кратковременной нестабильности выходного напряжения двух экземпляров ИОН 2008 и 2012 годов выпуска. Хотя сравнить полученный размах напряжения шума (соответственно 19 и 70 мкВ в полосе частот ~0,001–0,25 Гц) с типовым значением из спецификации (6 мкВ в полосе частот 0,1–10 Гц) не представляется возможным, обращает на себя внимание огромный, почти 4-кратный разброс между экземплярами.
+5 В VRE305KИОН среднего класса точности (допускаемое отклонение < +/-0,016%, ТКН < 1 ppm/°C). Снят с производства более 10 лет назад. Широко применялся в промышленных контроллерах и модульных системах сбора данных, автоматики и телемеханики Allen Bradley, Bosch.
Представленные ниже результаты получены в ходе испытаний м/с ИОН, установленных в модулях SCADA фирмы Allen Bradley годов выпуска с 1998 по 2006. Конструктивно м/с представляет собой основание в виде тонкой керамической пластинки с напайными выводами. На пластинку нанесены токопроводящие дорожки, плёночные резисторы и термисторы, а также наклеены кристаллы п/п приборов и ОУ. Воздушные соединения выполнены золотой микропроволокой. От факторов внешней среды все элементы м/с защищены керамической крышкой, приклеенной к основанию эпоксидным компаундом. Клеевое соединение достаточно прочное. Попытка снять крышку в разогретом до 350°С состоянии окончилась повреждением хрупкого основания.
Внутренняя компоновка микросхемы:
Операционный усилитель по топологии идентифицировать не удалось (в патенте [3] говорится о PMI OP-02 – усовершенствованной версии 741-го). Однако, по моим наблюдениям Thaler применяла разные типы ОУ даже в одной и той же серии ИОН одного и того же года выпуска.
На плёночных резисторах чётко видны следы подгонки сопротивления.
Полевой транзистор стабилизатора рабочего тока стабилитрона, а так же собственно сам дискретный стабилитрон с заглублённым переходом. Такой же стабилитрон я видел лишь однажды в составе гибридного 12-битного ЦАП Burr-Brown DAC80 самых первых годов выпуска.
Хотя спецификация ИОН не менялась за весь период выпуска, хорошо заметны те изменения и доработки, которые проводились с целью улучшения параметров микросхем. К примеру, на фотографиях м/с 1998 и 2006 годов выпуска заметно различаются ширина многих дорожек, появилось разделение их на силовые и сигнальные с объединением непосредственно у выводов м/с, сменился тип ОУ.
Все резистивные элементы ориентированы на подложке вдоль одного направления. Так формируются две главные оси тензочувствительности. Хотя в даташите об этом не говорится, следует избегать таких нагрузок на подложку, которые приводят к деформации в направлении, ортогональном оси минимума тензочувствительности (синяя стрелка на рисунке).
По топологии м/с легко восстановить фактическую (а не упрощённую, как в даташите) принципиальную схему ИОН. Цепи нелинейной коррекции ТКН оказались идентичными таковым в патенте [3], за исключением отсутствия дублирующих резисторов. Оба плеча делителя ООС симметричны по структуре и имеют в своём составе термисторы, используемые для линеаризации и минимизации температурного дрейфа выходного напряжения.
С момента выпуска изделий с установленными м/с прошло около 15–20 лет. Тем не менее, измерения показывают, что 22 из 27 шт. ИОН всё ещё обеспечивают выходное напряжение в пределах поля допуска.
В даташите производителем установлено ограничение режима пайки м/с температурой 260°С и продолжительностью 10 с. После испытания 13 шт. м/с пайкой оловянно-свинцовым припоем ПОС-61 при температуре 300°С у 12 шт. наблюдался гистерезис выходного напряжения ИОН величиной от 10 до 40 ppm, у 1 шт. уход напряжения составил минус 700 ppm, т.е. произошёл метрологический отказ.
Для следующих испытаний 9 шт. м/с были установлены в законченные источники калиброванных напряжений двух видов с возможностью контроля напряжения на выходе ИОН. Печатные платы разрабатывались такой конфигурации, чтобы ИОН находился в противоположной стороне от места консольного закрепления к корпусу устройства. Корпус выбран серийный, типа Gainta G106, изготовленный из алюминиевого сплава. Отсутствие встроенного стабилизатора питания устройства позволило минимизировать температурные градиенты и сократить время выхода на рабочий режим.
Сводная таблица результатов испытаний приведена ниже.
1. Коэффициент подавления нестабильности питания (PSRR) определялся при варьировании напряжения питания в диапазоне от 14 до 15 В с одновременным контролем выходного напряжения ИОН вольтметром Solartron 7081. Полученные значения, равномерно распределённые между 28 и 40 ppm/В, не только превышают указанное в даташите типовое (6 ppm/В), но и предельно допустимое (10 ppm/В).
Вместе с тем, вызывает большие сомнения корректность установленных в даташите норм. Если предположить идеальность операционного усилителя, то для обеспечения требуемого PSRR 10 ppm/В при дифференциальном сопротивлении стабилитрона Rd=35 Ом однокаскадный источник тока на полевом транзисторе должен иметь внутреннее сопротивление Rвн>3,5 МОм, что технически трудноосуществимо. Хотя конкретный тип транзистора в ИОН неизвестен, но даже при использовании транзистора с высокой крутизной характеристики g_fs и рекордно малой выходной проводимостью g_os, например, Vishay SST202, при рабочем токе 1 мА и резисторе смещения Rs=826 Ом внутреннее сопротивление источника тока составит Rвн = (1+Rs*g_fs)/g_os = (1+826*1,7E-3)/2,4E-6 = 1 МОм, что эквивалентно PSRR 35 ppm/В. К слову, именно последнее значение наиболее близко к результатам измерений.
Почему в даташите ИОН приведены настолько оптимистичные (если не сказать некорректные) данные по PSSR? Мне представляется, что данные верны, но только для тех типов ИОН, у которых рабочий ток стабилитрона задаётся резистором обратной связи с выхода ОУ, т.е. для всех ИОН с напряжением 10 В.
2. Температурный коэффициент выходного напряжения (ТКН) рассчитывался по результатам испытаний в термокамере в диапазоне температур от 26 до 35°С. Устройства подвергались испытанию группами по 4 (последнее испытывалось индивидуально). Дрейф выходных напряжений измерялся 8,5-разрядными мультиметрами. Для оценки величины гистерезиса показания снимались как при нагреве, так и при охлаждении.
Результаты показали, что ТКН по абсолютной величине варьируется от 0,5 до 5,5 ppm/°C. При чём лишь в 4-х случаях из 9-ти ТКН не вышел за границу +/-1 ppm/°C, указанную в даташите на ИОН VRE350K. Корреляции ТКН с годом выпуска не обнаружено. Можно лишь строить гипотезы, с чем связан такой высокий процент несоответствующей продукции. К примеру, это могут быть недостатки методики регулировки [3], а именно, допущение о монотонности и унимодальности функции температурного дрейфа напряжения и пр.
3. Размах напряжения шума ИОН Uш, мкВ в полосе частот 0,1–10 Гц измерялся с помощью селективного усилителя с Ку=500000. Достоверность результатов подтверждалась прямыми измерениями выходного напряжения ИОН мультиметром R6581D с установленными временем интегрирования 1 PLC и шкалой 7,5-разрядов.
В даташите на ИОН указано только типовое значение Uш = 3 мкВ. Однако все 9 испытаний показали результаты, приблизительно в 4 раза превышающие типовой. Корреляции Uш с годом выпуска не обнаружено.
4. Временная нестабильность на базе испытаний 5 часов оценивалась только для экземпляра №9 путём измерения выходного напряжения мультиметром Solartron 7081 при установленном времени интегрирования 51,2 с. На графиках ниже приведено сопоставление нормированного дрейфа напряжения VRE305K с ИОН типа LM399 в составе калибратора DC-Cal Mini.
5. Временная нестабильность на базе испытаний свыше 1000 часов оценивалась одновременно с изучением отклика ИОН на изменение условий эксплуатации. Как видно из графиков, первые 200 ч сопряжены с релаксационными и др. процессами, происходящими в период приработки (электротренировки) после сборки устройств. Последующее испытание в термокамере не сказалось существенно на временном дрейфе. Вместе с тем, нагружение ИОН током 5 и 10 мА в течении ~10 с, а так же выдержка при температуре –20°C в течении 16 часов привели к непредсказуемым сдвигам выходного напряжения на величину, намного превышающую типовой дрейф 6 ppm/1000 ч, указанный в даташите на ИОН.
Выводы:Хотя представленная статистика по несоответствиям ИОН Thaler/Apex заявленным характеристикам не является репрезентативной в силу недостаточности выборки, она даёт тревожный сигнал и призывает к более тщательному входному контролю м/с, как минимум по параметрам шума и температурного коэффициента.
Литература1. Прецизионные источники опорного напряжения компании Apex Microtechnologyhttps://drive.google.com/file/d/1hXVq6C ... sp=sharing2. High-Precision, Ultra-Stable Voltage Referenceshttps://drive.google.com/file/d/1ZP7PSH ... sp=sharing3. Патент US4668903 Temperature compensated reference voltage supply (1987)https://drive.google.com/file/d/1ltypiE ... sp=sharing4. Патент US4871965 Environmental testing facility for electronic components (1989)https://drive.google.com/file/d/1w1iNkr ... sp=sharing5. Патент US4939519 Apparatus for method and a high precision analog-to-digital converter (1990)https://drive.google.com/file/d/1YQ48cO ... sp=sharing