Reference elektrických veličin

V následujícím textu jsem se pokusil shrnout vlastní praktické zkušenosti s přesnými zdroji napětí, proudu a odporu. Přivedlo mě k tomu měření série bateriových článků, kdy jsem poměrně přesně potřeboval změřit hodnotu napětí. Z řady dostupných multimetrů neměl žádný platnou kalibraci. Každý zobrazoval podobnou hodnotu, přesto výsledná změřená hodna byla dost nejistá. Jednou z možností bylo nechat multimetr zkalibrovat, ale já se rozhodl pro tu druhou. Seženu si napěťový normál, kterým měřák budu ověřovat. Vedle profesionálních (drahých) řešení existují i řešení levná (amatérská). Záleží jen na účelu, pro který napěťový normál potřebujeme. Proto moje následující pokusy nesměřovaly do oblasti profesionální meterologie.

Při svém pátrání na internetu jsem narazil na dvě stránky, které mě nadchly a inspirovaly. První je Voltagestandard.com, kde jsou zajímavé reference postavené na čipech REF5050 a VRE305. Další zajímavou stránkou je Geller Labs využívající čipy AD587.

Jak tedy jednoduše ověřit, zda náš voltmetr měří přesně?

Pořídíme si vhodný obvod, v našem případě například MAX6250 (variantně můžeme použít levnější, méně přesnější, však dostupnější REF02). Jedná se o 5V referenci. Připojíme napájecí napětí (nejlépe 9V baterii) a na výstup zapojíme voltmetr. Přesnost i tak jednoduchého zapojení plně postačí pro 3.5 místný multimetr, který zobrazuje pouze dvě desetinná místa v rozsahu do 20VDC.

Uvedené zapojení je jistě primitivní, ale na první pokus to stačí. Pro další laborování by bylo vhodné, alespoň trochu se zabývat teorií. Skvěle zpracovaná problematika napěťových referencí je v šestidílném seriálu uveřejněném na HW serveru: Úvod do světa napěťové reference (1, 2, 3, 4, 5, 6).

Monolitické napěťové reference rozdělujeme podle zapojení na:

1. Sériové reference
   Například nám známá MAX6250. Připojují se podobně jako lineární stabilizátor. Má vstup, výstup a zem.


2. Paralelní (shunt) reference
   Zapojují se s předřadným odporem stejně jako Zenerova dioda.

Podle použité technologie:

1. Bandgap
   Koncept obvodu byl poprvé publikován Davidem Hilbiberem v roce 1964. Na tuto práci navázal v roce 1969 Bob Widlar (National Semiconductor) výrobou prvních obvodů. Základní napětí je typicky 1.25V nebo 1.235 V, případně 1.2V. Reference mají obvykle horší dlouhodobou stabilitu a větší šum (již zcela neplatí u nejnovějších čipů). Naproti tomu může být napájecí napětí v širokém rozsahu nebo může být optimalizováno pro nízkou spotřebu.
   
   
   Zdroj: wikipedia.org/wiki/Bandgap_voltage_reference


2. Buried Zener
   Jedná se o podpovrchovou Zenerovu diodu (Subsurface Zener diode), kde se lavinová oblast nachází hlouběji ve struktuře, typicky několik mikrometrů pod oxidem. Pro správnou funkci je nutné především kompenzovat teplotu (teplotní drift). Výhodou je pak velká dlouhodobá stabilita a nízký šum. Nevýhodou základní napětí 6.95V. První Buried Zener monolitická reference byla vyrobena v polovině 70. let minulého století ve společnosti National Semiconductor. Jedná se o dnes již legendární "vyhřívanou" referenci LM199 od designéra Roberta Dobkina.


3. XFET™ (eXtra implanted FET)
   Vlastní technologie společnosti Analog Devices. Oproti Bandgap má nižší šum, dlouhodobou stabilitu, velmi plochý nebo lineární teplotní koeficient, nízký klidový proud a napájecí napětí již od 3V.


4. FGA™ (Floating Gate Analog)
   Proprietární technologie společnosti Intersil. Obdobně jako u technologie XFET™ má i FGA™ nižší šum, dlouhodobou stabilitu, lepší teplotní koeficient oproti Bandgap referencím.

Základní parametry referenčních obvodů:

1. Initial Accuracy, Initial Error (počáteční přesnost, počáteční chyba)
   Obvykle se uvádí pro teplotu 25°C, buď absolutně (4.999 - 5.001V, ±1 mV) nebo procentuálně ±0.02%.


2. Temperature Coefficient, Temperature Drift (teplotní koeficient, teplotní drift)
   Vyjadřuje, jakým způsobem se bude výstupní napětí měnit s teplotou. Uvádí se v ppm/°C (ppm = part per million, 1 ppm = 0.0001%), vyjadřujeme míru, o kterou se referenční napětí změní s 1 °C. U většiny referencí není lineární, je třeba se podívat do grafu.


3. Noise Voltage (napěťový šum)
   U většiny nových napěťových referencí je hned v záhlaví uvedeno low noise reference, přesto doporučuji pečlivě při výběru porovnat parametry. Obecně platí, že i velmi staré návrhy čipů s technologií Buried Zener mají velmi dobré parametry.


4. Long-Term Stability (dlouhodobá stabilita)
   Vyjadřuje změnu referenčního napětí v čase, tzv. stárnutí či zahoření obvodu. U většiny referenční čipů platí, že k největším změnám dochází na začátku, když jsou nové. Zajímavá je statistika uvedená v AN-713. Pokud chceme zkonstruovaný obvod např. AD převodník s napěťovou referencí poslat do laboratoře na kalibraci, vyplatí se ho nechat tzv. zahořet (podle typu minimálně 200 - 400 hodin). Není také od věci použít čipy vypájené, které už někde již nějakou dobu fungovaly. Ty je možné koupit například na eBay.

Je řada záludností, které nás při konstrukci napěťového normálu potkají. První je jistě dobrá volba použité napěťové reference, u nás v Čechách nejsou v podstatě žádné vhodné dostupné, proto jsem setavil seznam referenčních obvodů, které používám a zároveň je možné je za přijatelnou cenu zakoupit a dopravit do ČR. 

Dnešní integrační převodníky používané v multimetrech jsou poměrně lineární, přesto je vhodné ověřit každý rozsah alespoň ve dvou bodech. Další zajímavou zkušenost zjistíte, pokud při měření otočíte měřící svorky a multimetr zobrazí zápornou, téměř nikdy není hodnota stejná jako naměřená hodnota kladná. Je to dáno způsobem měření, tedy 0 je "uprostřed" měření převodníku.

Jak postavit referenční desku s více hodnotami napětí?

Můžeme samozřejmě použít více referenčních čipů, ale to obvykle nebývá efektivní řešení. Zpravidla se používají monolitické reference, které přímo v sobě obsahují dělič napětí (např. AD588, AD688 nebo AD584), nebo si takový dělič napětí musíme zkonstruovat sami. K tomu potřebujeme velmi přesné odpory a precizní operační zesilovače.
Přesné odpory lze zakoupit u společnost Farnell, která nabízí nepřeberné množství od různých výrobců. Špičkou v oblasti přesných odporů jsou společnosti Vishay a Caddock Electronics. Lze tak zakoupit odpory s tolerancí ± 0.005% a teplotním koeficientem ±0.05ppm/°C. Cena za takové součástky ovšem překračuje rozumné hranice pro amatérskou konstrukci, proto jsem si obvykle vystačil s horšími parametry. Cenově přijatelné jsou odpory od společnosti Panasonic, řada ERA6ARW. Jsou to SMD odpory v pouzdře 0805 s tolerancí 0.05% a teplotním koeficientem ±10ppm/°C. Zajímavou alternativou jsou napěťové děliče MPM a MP od společnosti Vishay, umístěné v pouzdru SOT-23 nebo SC70. Vyrábí se v různém dělícím poměru, například MPMT10019001AT5 obsahuje odpory 1K a 9K.S tímto děličem můžeme hravě získat z 10V referenčního obvodu 1V. Obdobné napěťové děliče vyrábí také společnost Maxim Integrated Products. Jedná se o řady MAX5490, MAX5492. Pokud potřebujeme větší rozsah výstupních úrovní (například 10V, 1V, 100mV), můžeme použít celou odporovou dekádu, jakou představuje Vishay Sfernice CNS471. Pokud jsem chtěl při nákupu přesných odporů ušetřit, zakoupil jsem použité odpory Vishay na Aukru či eBay.

Příkladem použití napěťových děličů je prototypová referenční deska s napětím 125mV, 500mV, 1.25V a 1.95V, kterou jsem zkonstruoval. Základem je čip LTC6655 s referenčním napětím 1.25V. Napětí je prostřednictvím děličů napětí sníženo na 0.5V a 125mV a následně přivedeno na vstup operačního zesilovače sloužícího jako sledovač (buffer). Napětí 1.95V je generováno zesílením referenčního napětí 1.25V prostřednictvím dalšího operačního zesilovače.

Na co ještě při konstrukci napěťových normálů upozornit?

Jedním z problémů může být napájecí zdroj. Zatím se mi nepovedlo zkonstruovat zdroj, který by byl dostatečně vyfiltrován. V pulzních zdrojích se objevuje rušení a napěťové špičky, v klasických zase zvlnění, které se mi nepovedlo vyfiltrovat pod měřitelnou mez. Nemá smysl kupovat super kvalitní čip, pokud bude zvlnění napájecího zdroje výrazně ovlivňovat výstupní referenční napětí. Já jsem nakonec skončil u baterií. Řada profesionálních normálů je konstruována stejně (např. Fluke 731A).

Další zajímavou konstrukcí byla referenční deska postavená na 5V referenci MAX6350 (volitelně MAX6250, REF5050, ADR02, ADR4550, REF02). Navíc přibyl zdroj konstantního proudu 1mA a čtyři přesné odpory 100Ω, 1kΩ, 10kΩ a 100kΩ.

Jak funguje zdroj konstantního proudu?

Jedná se o jednoduché proudové zrcadlo s operačním zesilovačem. Podmínkou je samozřejmě precizní operační zesilovač a přesný rezistor. V případě většího proudu (10mA či 100mA) je nutné doplnit do obvodu tranzistor. Proudový zdroj lze efektně využít i k měření odporů. Zvlášť výhodné je to u malých odporů, kde se eliminujeme odpor měřících svorek (Kelvinovy svorky, čtyřvodičové propojení).

Paralelně k měřenému odporu (v našem případě 1kΩ) připojíme voltmetr. Napětí bude přímo úměrné odporu, tedy 1V.

Další referenční deska napětí 10V, 1V a proudu 1mA vychází z obdobné konstrukce jako předchozí 5V reference. Rozdíl představuje dělič napětí, ten je stejně jako reference jemně doladitelný víceotáčkovým trimerem. Dělič napětí je složen z řady odporů s rozdílným teplotním koeficientem. Účelem je, aby změna teploty ovlivňovala celý dělič co nejméně. Tím se dostáváme k tomu, že nejdůležitější faktor ovlivňující výsledné napětí, bývá obvykle změna teploty. Jak takovou věc v amatérských podmínkách vyzkoušet? Můžeme obvod ochladit stlačeným vzduchem, dát ho do lednice, nebo naopak ohřát fénem či horkovzdušnou pistolí. Jistě se nejedná o profesionální klimatickou laboratoř, ale již při takových "pokusech" můžeme názorně vidět změnu výstupního napětí společně s teplotou. Já jsem si pro jeden z takovýchto pokusu vybral REF01CP, ta má teplotní koeficient až 65ppm/°C (nejlepší varianta čipu  REF01A má maximálně 8.5ppm/°C). Při změně teploty o 20°C může dojít ke změně výstupního napětí více jak o 10mV. Pro jistotu jsem vložil obvod do mrazničky a ejhle výstupní napětí se změnilo téměř o 16mV. Reálně se dá předpokládat, že budeme měřit za pokojové teploty a tyto problémy nám nehrozí. Ovšem v teplých letních dnech zjistíte, že levný multimetr ráno ukazuje 9.95V a v poledne 10.02V. Ano, u levných multimetrů se často setkáte s použitím méně kvalitních součástek, které mají velký teplotní koeficient. Velmi přesná měření na 8.5 mísných multimetrech probíhají v klimatizovaných místnostech. Přístroj musí být určitou dobu zapnut, obvykle alespoň hodinu, aby se ustálil.

Jak měřit teplotní drift, pokud není k dispozici přesný měřicí přístroj?

Použije obyčejný multimetr nastavený na rozsah 200mVDC a dvě reference se stejným výstupním napětím. Voltmetrem měříme rozdíl napětí, nejprve při pokojové teplotě, posléze jednu referenci ochladíme či ohřejeme. Výsledný rozdíl obou měření je absolutní posun výstupního napětí při změně teploty.
Pěkné měření u čipů AD587 včetně výsledků je na stránce Geller Labs.

Další referenční přípravky

Jiným konstrukčním řešení je využití obvodu AD588, což je buried Zener referenční obvod s operačními zesilovači a integrovaným děličem napětí. Zapojení generuje napětí 10V a 5V, pro zbývající napětí 1V je použit externí napěťový dělič.

Pro ověření ohmmetrů jsem si připravil box, který obsahuje řadu odporů 100Ω, 1kΩ, 10k, 100kΩ, 1MΩ. Všechny s tolerancí 0.01%  a teplotním koeficientem 2ppm/°C.

Zdroje:

Úvod do světa napěťové reference (1, 2, 3, 4, 5, 6)

AN82 - Understanding and Applying Voltage References

AN713 - The Effect of Long-Term Drift on Voltage References

AN42 - Voltage Reference Circuit Collection

Linden T. Harrison, "Current Sources and Voltage References: A Design Reference for Electronics Engineers" ISBN: 075067752X 

ppm to percent conversion calculator

Výběr napěťových referencí

Co se nevešlo: Mechanické namáhání referencí, výběr kondeznátorů - piezoefekt, teplotní hystereze, kalibrační produkty, typy vhodných operačních zesilovačů, odporová dekáda, napěťové normály: Josephsonův jev, Westonův článek (Cd-Hg) 1.018 V, Teplotně kompenzované referenční Zenerovy diody (TC Zener Reference Diode)

http://www.gellerlabs.com/LNVR%20Series.htm

http://www.gellerlabs.com/DIY_FIREVOLT.htm

http://www.apexanalog.com/products/voltage-sine-wave-references/