CC BY
36
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-79-91 УДК 53.083.62
Метод и измерительный стенд для анализа низкочастотного шума микросхем малошумящих прецизионных источников опорного напряжения
В. К. Битюков, А. А. Иванов, Н. Г. Михневич, В. А. Петров
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА - Российский технологический университет», Москва, Российская Федерация
На основе анализа имеющихся в литературе данных и полученных в настоящей работе результатов измерений показано, что разработчикам электронной аппаратуры в ответственных случаях не следует полагаться на сведения, имеющиеся в технической документации для шумовых характеристик микросхем прецизионных источников опорного напряжения (ИОН), а проводить измерения индивидуально для каждой микросхемы. Описаны электрическая схема и конструкция стенда, позволяющие измерять размах шумового напряжения величиной всего в единицы микровольт в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц, а также величину среднего квадратического значения напряжения шума ИОН в этом частотном диапазоне. Результаты, полученные для микросхемы LTC6652, подтверждают сделанные в работе выводы.
Ключевые слова: микросхема, источник опорного напряжения, 1/f (фликкер) шум, напряжение размаха typ-p, среднее квадратическое напряжение Urms, полосовой фильтр, предусилитель
Для цитирования: Битюков В. К., Иванов А. А., Михневич Н. Г., Петров В. А. Метод и измерительный стенд для анализа низкочастотного шума микросхем малошумящих прецизионных источников опорного напряжения // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2022. № 3. С. 79-91. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-79-91
For citation: Bityukov V. K., Ivanov A. A., Mikhnevich N. G., Petrov V. A. Method and measuring test bench for determination and analysis of low-frequency noise of low-noise precision reference voltage sources // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2022. No. 3. P. 79-91. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2022-3-79-91
Поступила 05.04.2022 Отрецензирована 24.04.2022 Одобрена 24.05.2022 Опубликована 24.06.2022
Введение
Микросхемы малошумящих прецизионных источников опорного напряжения (ИОН) являются основой для аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, прецизионных стабилизаторов напряжения, цифровых измерительных устройств, интеллектуальных датчиков с пороговыми детекторами, различных сервосистем и прецизионных систем управления. От стабилизаторов напряжения ИОН отличаются более высокой точностью поддержания установленного напряжения,
© Битюков В. К., Иванов А. А., Михневич Н. Г., Петров В. А., 2022
меньшим значением температурного коэффициента, большей долговременной стабильностью и меньшим уровнем шумов, которые в некоторых случаях имеют порядок всего несколько сотен нановольт.
Низкие шумовые характеристики ИОН зачастую играют определяющую роль _ в их применении. Несмотря на это, специ- | фикацию шумовых характеристик ИОН не- * льзя считать твердо установленной вплоть | до настоящего времени. Например, компания if Linear Technology, недавно вошедшая в со- ,, став компании Analog Devices, в качестве та- | ких характеристик применительно к разра- о. ботанным ею прецизионным ИОН LTC6652 о и LTC6655 [1, 2] использует характеристику ^
размаха напряжения шума Up-p в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц и среднее квадратиче-ское значение шума Urms в диапазоне частот от 10 Гц до 1 кГц. Величины этих характеристик выражаются в ppm (долях на миллион) от выходного напряжения ИОН. Такие же параметры использует компания Texas Instruments для разработанных ею ИОН [3]. Однако компания Maxim Integrated для своей микросхемы MAX6226, приводя в документации [4] в диапазоне от 0,1 до 10 Гц значение размаха шума Up-p = 2,85 мкВ для выходного напряжения 5 В, не приводит среднего квадратического значения шума Urms в диапазоне частот от 10 Гц до 1 кГц, а вместо этого дает лишь одно значение спектральной плотности напряжения шума 145 нВ/^ при частоте 1 кГц.
Использование полосы от 0,1 до 10 Гц на 10-секундном временном интервале для аттестации характеристик низкочастотного флик-кер-шума стало традиционным достаточно давно не только для ИОН, но и для операционных усилителей, стабилизаторов напряжения и других электронных компонентов. При этом основной характеристикой является максимальный размах шумового напряжения Up-p от пика до пика, то есть разность максимального и минимального значения напряжения за время 10 секунд. Выбор этого временного а интервала обусловлен необходимостью учи— тывать вклад самой низкочастотной компонен-
0 ты шума с частотой 0,1 Гц. Выбор частотного < диапазона связан с тем, что у большинства Д ИОН линейная зависимость плотности напря-
1 жения шума от обратной его частоты 1/f в лога-■f рифмических координатах заканчивается до f= § 10 Гц и при более высоких частотах вклад я фликкер-шума в общий шум ИОН становится а. малым. О том, что использование отмеченного
0 '
? выше значения Up-p в качестве основной харак-
^ теристики низкочастотного шума ИОН имеет
1 ряд недостатков, в частности связанных с неу-ф четом случайного характера шума, описано
m
в [2]. Однако из-за того, что вплоть до настоя-
(N
щего времени в представляемой различными S производителями документации на ИОН такая 8 характеристика присутствует и является средой ним значением всего нескольких измерений, и в настоящей работе, так же как и в [2], с целью
сопоставления одних ИОН с другими была разработана методика измерения ир-р на 10-секундном временном интервале в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц.
Другая достаточно широко используемая характеристика ИОН игт8 в диапазоне частот от 10 Гц до 1 кГц хорошо учитывает статистический характер шума, так как с ее помощью могут легко быть усреднены результаты большого числа измерений, однако применительно к ИОН важность этой характеристики остается под вопросом. Избавиться от шума ИОН в этой полосе частот не представляет большой трудности. В настоящей работе игт измерялась в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц.
Наиболее общей шумовой характеристикой ИОН является спектральная плотность напряжения шума. На ее основе можно рассчитать другие характеристики. Однако ее измерения требуют использования дорогих низкочастотных анализаторов спектра и за редким исключением результаты таких измерений в документации на ИОН не приводятся.
Измерение низкочастотных фликкер-шу-мов прецизионных ИОН является сложной задачей, связанной с их малыми значениями, уровень которых часто составляет единицы микровольт, а иногда даже доли микровольта, с необходимостью проведения таких измерений в условиях наличия в измерительной цепи постоянного выходного напряжения величиной в несколько вольт и влиянием шумов, наводок и помех измерительной системы, величина которых должна быть по крайней мере на порядок меньше измеряемых сигналов. На результаты измерений могут также оказывать влияние конвективные потоки окружающего воздуха.
Имеют место два подхода к проведению таких измерений. Первый связан с использованием кросскорреляционной техники [5, 6]. Здесь получают спектральную зависимость плотности мощности шумового напряжения в диапазоне от 10-1 до 104 Гц, с помощью которой можно рассчитать все необходимые шумовые характеристики ИОН. Техника достаточно сложная, и в исследованиях ИОН широкого распространения она пока не получила.
компании Intersil [11] компенсация осуществлялась с помощью более низкошумящего прецизионного эталонного источника напряжения LT1027 компании Linear Technology. Аналогичный подход использован в [12], где в качестве эталонного источника использовалась микросхема VRE125, а в качестве исследуемых - микросхема MAX 6250 и разрабатываемая отечественная микросхема ИОН. Представленные в этой работе результаты вызывают ряд вопросов. В частности, не ясно, почему все измеренные шумовые сигналы имеют отрицательную полярность.
Каждый из двух подходов имеет свои достоинства и недостатки. Традиционный подход для отрезания (блокировки) постоянного напряжения требует использования высококачественного конденсатора большой емкости с малыми утечками в фильтре верхних частот (ФВЧ). Реально это возможно только при использовании специального конденсатора, стоимость которого достигает 400 долларов и выше [9], или набора специальных конденсаторов в количестве 10 и более штук. Шум ФВЧ при этом складывается с шумом предусилите-ля. Компенсация же постоянного напряжения требует полностью идентичных двух ИОН, что может более или менее успешно осуществить только производитель ИОН, взяв их из одной производственной партии
Существует несколько больших коммерческих систем, которые можно использовать для измерений спектральной плотности напряжения в области низких частот. Например, в [7] представлена система, позволяющая делать измерения начиная с частоты 0,03 Гц, а в [8] - начиная с 0,1 Гц. Все они имеют модульную конструкцию и являются очень дорогими. Поэтому в реальной практике измерения шумовых характеристик ИОН они используются редко.
Практически каждая компания, разрабатывающая и выпускающая ИОН, имеет свои методики и измерительные стенды, при этом наблюдается различный подход к решению двух основных проблем - выделение микровольтового низкочастотного шума из постоянного опорного напряжения ИОН, величина которого составляет несколько вольт, и создание предуси-лителя, собственный шум которого должен быть по крайней мере на порядок меньше изучаемого шума ИОН. Компании Linear Technology [2, 9] и Texas Instruments [3] придерживаются считающегося традиционным первого подхода, состоящего в том, что постоянное опорное напряжение отделяется фильтром высокой частоты, который в [9], например, представляет собой комбинацию конденсатора очень большой емкости, составляющей 1300 мкФ, и резистора сопротивлением 1,2 кОм. Далее обычно следует малошумящий предварительный усилитель и одноступенчатый или многоступенчатый активный фильтр со своим коэффициентом усиления. Полный коэффициент усиления схемы имеет порядок 106. Есть различия и в регистрации измеряемого шумового сигнала. Если в [2, 9] регистрация осуществляется с использованием пикового детектора и цифрового вольтметра, то в [3] регистрирующим прибором является осциллограф.
Альтернативный подход к измерению низкочастотного шума ИОН предложила компания Maxim Integrated [10, 4]. Метод основан на использовании компенсации постоянного напряжения с помощью двух идентичных ИОН MAX6126 из одной партии, подключенных дифференциально к ультранизкошумя-щему операционному усилителю. Для ИОН с более высоким уровнем шумов X60008
Методика эксперимента
Поскольку целью настоящей работы являлось создание методики и аппаратуры, не требующих наличия двух идентичных ИОН, в основу методики была положена традиционная схема, реализация которой показана на рис. 1. Пунктиром отмечены два блока, помещенные в отдельные корпуса для защиты от внешних
помех и наводок. —
те
Шумовой сигнал с выхода источни- I ка опорного напряжения (ИОН) поступа- 8
ет через RC-фильтр верхних частот (ФВЧ) °
ц
на малошумящий предварительный усили- те тель (МШПУ), затем усиливается усилителем те (У), ограничивается по полосе полосовым | фильтром (ПФ) и подается на измерительное устройство (ИУ). Характерной особенно- ¡й стью этой типовой схемы является наличие ^
Gl
Источник опорного напряжения
(ИОН)
GND
т
Вых.
ФВЧ
fc = 0,04 Гц
C
Предварительный усилитель (МШПУ)
Усилитель Полосовой Измерительное
(У) фильтр устройство
0,1-10 Гц (ИУ)
(ПФ)
Рис. 1. Традиционная схема измерений низкочастотных шумов, использованная в настоящей работе
см см о см
< I
to те S
I
О ü CÛ
Q.
<D
О
о
<D CQ
CM ■Clin 9
CM ■Clin
CM
w w
RC-фильтра верхних частот между ИОН и ма-лошумящим предварительным усилителем. Этот фильтр обеспечивает блокировку постоянной составляющей выходного напряжения ИОН и пропускает частоты от 0,04 Гц и выше, тем самым позволяет только переменному шумовому напряжению, содержащему частоты выше частоты среза фильтра, достигать мало-шумящего предварительного усилителя.
МШПУ осуществляет предварительное усиление слабого входного сигнала при внесении незначительных собственных шумов. Усилитель (У) должен без внесения каких-либо искажений обеспечить необходимый уровень шумового сигнала на выходе стенда для нормальной работы измерительного устройства (ИУ).
Полосовой фильтр (ПФ) обеспечивает выделение необходимой полосы частот от 0,1 до 10 Гц для проведения измерений.
В качестве ИУ в настоящей работе использовалась как быстродействующая система сбора и обработки данных 34972A компании Agilent Technologies, так и осциллограф GDS-72202 компании GW Instek. Система сбора и обработки данных проводила измерения выходного напряжения с разрешением 4^ десятичных разряда при общем числе измерений в цикле, равном 2000, и временном промежутке между отдельными измерениями 10 мс. Обработка результатов измерений системы сбора данных проводилась с помощью программы ORIGIN.
Осциллограф с помощью программы Freewave регистрировал форму шумового сигнала, измерял Urms и Up-p за промежуток времени обычно 10, иногда 20 секунд, при этом частота дискретизации составляла 2500 измерений в секунду.
Выходное напряжение шума Uout, измеряемого измерительным устройством на выходе стенда, связано с входным напряжением Uin на входе стенда соотношением (Uout / Uin) = G*F, где G и F - передаточные функции усилителя и фильтра соответственно. Реально нет необходимости определять величины G и F раздельно, а можно определить общую передаточную функцию всей системы G*F. Эта передаточная функция была определена как экспериментально, так и расчетным путем. При экспериментальном исследовании синусоидальное напряжение различной частоты от генератора AFG3022 компании Tektronix подавалось на калиброванный делитель напряжения, а с выхода делителя на вход стенда. Напряжение на входе делителя и выходе стенда измерялось мультиметром AG34405A компании Agilent Technology.
Расчеты передаточной функции измерительной схемы осуществлялись с помощью программы Multisim. Схема, созданная в программе Multisim, которая использовалась для вычисления передаточной функции стенда при различных частотах, показана на рис. 2. В левом нижнем углу в отличие от реальной электрической схемы, которая будет представлена на рис. 4, показан генератор, задающий необходимые входные параметры по размаху зондирующего входного напряжения Vpk и его частоте в диапазоне от 0,1 до 10 Гц с шагом, который можно было устанавливать в качестве входных параметров. Другое отличие схемы Multisim от рис. 4 заключается в том, что на схеме нет стабилизаторов питания, обозначенных на рис. 4 как DA2 и DA3, поскольку они не влияют на передаточную функцию.
Полученные результаты экспериментов и расчетов приведены на рис. 3. Согласование
C
C
R
Рис. 2. Расчетная схема определения аппаратной функции стенда в программе Ми!^т
результатов эксперимента с результатами расчета вполне приемлемое. Согласно сложившейся практике принято, что границы от 0,1 до 10 Гц должны соответствовать снижению передаточной функции не более чем на 3 дБ, при этом в расчетах шумов ИОН можно принимать за величину передаточной функции G*F значение, соответствующее плоской части ее частотной зависимости. К сожалению, нам не удалось подобрать необходимые компоненты фильтров, чтобы обеспечить принятое снижение аппаратной функции на нижней границе 0,1 Гц указанного диапазона. Проведенные модельные расчеты показали, что дополнительное снижение на 0,6 дБ аппаратной функции при 0,1 Гц не приводит к заметному изменению шумовых характеристик. Из рис. 3 видно, что в интервале от 0,3 до 7 Гц в соответствии с результатами эксперимента величина передаточной функции постоянна и равна 93,5 дБ. Поэтому в качестве такого значения в настоящей работе принято значение G*F = 93,5 дБ = 47315.
При измерениях на системе сбора данных среднее значение Urms рассчитывалось в программе ORIGIN как корень квадратный из суммы квадратов измеренных 2000 значений, деленной на 2000, а величина Up-p определялась путем нахождения разности максимального и минимального значений.
Важным вопросом при создании методики эксперимента было обеспечение малой величины шума самой измерительной схемы. Для ее определения вход стенда закорачивался, и с помощью системы сбора данных измерялось напряжение на выходе стенда. В соответствии с полученными результатами величина этого напряжения Ц-р не превышала 0,065 мкВ. Поскольку, как будет описано ниже, величина размаха шума ИОН была более 10 мкВ, а шумы ИОН и схемы должны суммироваться
96
94
92
90
м 88
ч
л 86
*
О 84
82
80
78
76
м 1- 1 1-! 1- -t
0,1
10
f, Гц
Рис. 3. Общая передаточная функция измерительной
системы G*F --результаты измерений,--результаты моделирования
те
X ф
ч
те 0-
те
О
О.
£
V
ц
(Ч
1
квадратично, так как они не коррелированны, в настоящей работе вводить поправку на шум схемы необходимости не было.
Электрическая схема стенда и его конструкция
Электрическая схема стенда показана на рис. 4. Напряжение с выхода ИОН подается на разъем XW1, который подключен через RC-фильтр верхних частот (C1, R2) к входу операционного усилителя DA1, сконфигурированному как неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления К = 1 + R3/R1 = 500 В/В. Несмотря на кажущуюся простоту, при реализации схемы измерений обычно возникает ряд сложностей, снижающих точность и ограничивающих ее производительность. Во-первых, для достижения низкой частоты среза RC-фильтра верхних частот (0,1 Гц) требуется узкоспециализированный конденсатор большой емкости (больше 1000 мкФ) с малыми утечками, с низким диэлектрическим поглощением.
Утечка конденсатора создает падение напряжения на входе малошумящего предварительного усилителя (на Я2) и тем самым нарушает его работу, порождая ошибки и шум. Самую низкую утечку имеют пленочные конденсаторы (полистирольные, поликарбонатные, полипропиленовые, фторопластовые и майла-ровые), но они выпускаются на сравнительно небольшую емкость (максимально 100 мкФ) и имеют значительные размеры в сравнении с SMD-компонентами. Реализация большой емкости выливается в конденсаторную батарею и вызывает дополнительные конструктивные сложности. Поэтому конденсаторная батарея фильтра верхних частот емкостью 3760 мкФ была создана всего из 8 танталовых конденсаторов. Большая емкость танталовых конденсаторов при небольших габаритах их SMD компонентов позволяет минимизировать влияние наводимых помех на вход предусили-теля. Кроме того, танталовые конденсаторы имеют по сравнению с пленочными большую
см см о см
< I
со те
s
о со
ф
о
о
V
со
см ■ci-io
9 см ■ci-
10 см
(П (П
Рис. 4. Электрическая схема стенда
стабильность параметров в достаточно широком температурном диапазоне, повышенную надежность, долговечность и сохраняемость.
Во-вторых, фликкер-шум входного резистора и шум входного тока малошумящего предварительного усилителя складываются и определяют низкочастотный шум, вносимый этим резистором; следовательно, резистор с меньшим сопротивлением будет создавать меньше шума, однако более низкое сопротивление требует большей емкости для достижения заданной частоты среза RC-фильтра верхних частот. В-третьих, шум, создаваемый фильтром верхних частот, является критичным, так как он добавляется к входному напряжению шума предварительного усилителя. Общий результирующий шум на входе предварительного усилителя должен быть значительно меньше, чем измеряемый шум от источника опорного напряжения. С учетом отмеченных требований RC-фильтр верхних частот был выполнен на металлопленочном резисторе R2 и батарее танталовых конденсаторов С1. Необходимо отметить, что для минимизации влияния тока утечки и диэлектрических эффектов поглощения для С1 перед проведением измерений требовался длительный период установления (зарядка до 24 часов).
Предварительный усилитель (DA1) был выполнен на операционном усилителе ADA4898-1 компании Analog Devices. Эта микросхема с обратной связью по напряжению обладает сверхнизкими шумами и искажениями (оснащена линейным входным каскадом с низким уровнем шума и внутренней компенсацией), имеет широкую полосу пропускания и стабильный коэффициент усиления, низкое напряжение смещения и схему подавления, которая уменьшает входной ток смещения [13].
Полосовой фильтр (ПФ) выполнен на трех операционных усилителях OPA 827 (DA4, DA5, DA6) компании Texas Instruments [14]. OPA 827 - это прецизионный JFET-усилитель с низким входным напряжением смещения (150 мкВ максимум), очень низким температурным дрейфом (типично 0,5 мкВ/°С), низким током смещения (типично 3 пА) и очень низким уровнем шума (Up-p = 250 нВ в полосе 0,1-10 Гц). Имеет хорошие
характеристики по переменному напряжению, полоса пропускания составляет 22 МГц при единичном усилении, коэффициент усиления при разомкнутой петле обратной связи составляет не менее 120 дБ, позволяет работать на емкостную нагрузку, стабилен, что делает OPA 827 подходящим для широкого спектра приложений, включая реализацию активных фильтров.
На операционном усилителе DA4 реализован фильтр верхних частот с частотой среза ус = 0,1 Гц на уровне -3 дБ и коэффициентом усиления К = 10. Это фильтр Баттерворта 2-го порядка, топология Саллена - Кея. Фильтр имеет достаточно плоскую АЧХ в полосе пропускания, небольшое количество элементов (однако допуск на резисторы не более 1 %, на конденсаторы не более 5 %).
Фильтр нижних частот Баттерворта 4-го порядка выполнен на двух ОУ (каскадное включение DA5, DA6) и имеет частоту среза 10 Гц на уровне -3 дБ. Каскад на неинвертиру-ющем усилителе DA5 выполнен по топологии множественных связей и имеет коэффициент усиления К = 10, а аналогичный каскад DA6 имеет К = 1.
Электропитание стенда осуществляется биполярным напряжением +15 и -15 В от литиевых аккумуляторов через линейные стабилизаторы напряжения (DA2 и DA3) на интегральных микросхемах TPS7A4901 и TPS7A3001 [15, 16], что позволяет полностью избавиться от сетевых помех и устранить земляные петли. Указанное семейство стабилизаторов разработано компанией Texas Instruments с использованием биполярной технологии и обеспечивает низкий шум (U^ = 15,4 мкВ в полосе от 10 Гц до 100 кГц), хорошую способность подавлять напряжение пульсаций на входе электропитания (в англо- — язычной литературе здесь в качестве такой I характеристики используется параметр Power g
Supply Ripple Rejection, характеризующий °
ч
отношение напряжения пульсаций на входе я к напряжению пульсаций на выходе PSRR = те 20 lg (Uripple in / Uripple out), для указанных выше | стабилизаторов напряжения PSRR > 55 дБ в полосе от 10 Гц до 700 кГц), высокую стабиль- g ность выходного напряжения, малую величину
см см о см
проходного напряжения, большую величину максимального тока нагрузки. Кроме того, стабилизаторы обладают тепловой защитой от перегрева и ограничителем максимального тока, что повышает надежность устройства, защищая его от повреждений и перегрузок.
Стабилизаторы выполнены по типовой схеме и имеют идентичное назначение элементов, поэтому можно рассмотреть только обвязку микросхемы DA2 (+15 В). Номинальное выходное стабилизированное напряжение задается двумя внешними резисторами R4 и R5. Для получения необходимой точности выходного напряжения используются резисторы с допуском 1 %. Входной С2 и выходной С14 фильтрующие конденсаторы повышают также стабильность работы микросхемы DA2. Конденсатор С4 шумопонижающий (шунтирующий R4). Конденсатор обратной связи С11 обеспечивает более глубокую отрицательную обратную связь по переменному току, уменьшает выходной шум и улучшает PSRR. Кроме того, С11 добавляет нуль и полюс в цепь обратной связи стабилизатора и тем самым улучшает стабильность переходной характеристики. Для получения высокого качества параметров стабилизатора используются многослойные керамические конденсаторы с диэлектриком X7R и X5R с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR).
Стенд для измерения фликкер-шума ИОН с описанной выше электрической схемой выполнен в виде двух отдельных модулей с корпусами размером 110*65*35 мм, и его полностью нельзя считать универсальным. В первый модуль помещается исследуемый источник опорного напряжения. Для проверки работы электрической схемы в качестве исследуемого источника опорного напряжения в настоящей работе использовалась хорошо изученная микросхема LTC6652 [1]. Схема ее включения показана на рис. 5. Электропитание микросхемы осуществлялось от внешнего литиевого аккумулятора. В случае необходимости исследовать микросхемы других производителей или в других корпусах плату первого модуля нужно заменять.
Второй модуль в пылезащищенном металлическом корпусе, защищающем от электромагнитных помех и наводок, является универсальным. В него помещается универсальная плата со схемой, показанной на рис. 4. В корпусе модуля имеется два BNC-разъема -входной для подключения модуля испытуемого ИОН и выходной для подключения измерительных устройств.
Результаты экспериментов
На рис. 6 в качестве примера представлен один из результатов эксперимента, в котором
< I
со те
г
о со
о.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
;
GB1
+
9V
R1
3,6к
VD1
а
DA1 LTC6652-5
0,1 мкФ
Vm Vout
GND
ЗНОМ GNDI
XW1
5,7,8
5V
С2
1 мкФ
(П (П
Рис. 5. Схема включения ИОН LTC6652
2
6
3
4
было получено 2000 точек при регистрации шумового сигнала в течении 20 секунд с помощью системы сбора данных. В соответствии с этими результатами размах шумового сигнала Цр-р для первой половины эксперимента длительностью 10 секунд составил 12,2 мкВ. При этом величина среднего квадратического значения напряжения шума Цгт8 в полосе от 0,1 до 10 Гц составила 1,63 мкВ. В течение последующих 10 секунд значение ир-р было меньше и составило 10,1 мкВ. В двух других подобных экспериментах пары значений ир-р и Цгт8 для их первых половин длительностью 10 секунд составили 12,09 и 1,62 мкВ и 10,5 и 1,95 мкВ соответственно.
На рис. 7 в качестве примера представлены результаты измерения ир-р и Цгт8, полученные в одном из экспериментов в измерениях на осциллографе при сборе информации в течение 10 секунд. Показанные значения сигналов в мВ нужно поделить на аппаратную функцию G*F = 47315. Для представленного на рис. 7 режима полученное значение ир-р составляет 8,37 мкВ, а значение Цгт8 = 1,37 мкВ. Средние значения этих параметров по результатам 6 измерений составили соответственно 7,56 и 1,29 мкВ.
На рис. 8 в качестве примера показаны результаты одного из экспериментов, при котором вход стенда был закорочен. В соответствии с результатами измерения на осциллографе величина ЦР-р = 0,047 мкВ, а = 0,0085 мкВ. Средние значения по результатам 6 измерений составили соответственно 0,048 и 0,009 мкВ. Среднее значение при измерении ЦР-р с помощью системы сбора данных составило 0,065 мкВ. Эти результаты подтвердили сделанное в описании методики заключение, что в настоящей работе не было необходимости вводить поправку на влияние фонового сигнала.
Анализ полученных результатов
В соответствии с имеющейся в [1] документацией для микросхемы ЬТС6652 с выходным напряжением 5 В средняя величина Цр-р в диапазоне от 0,1 до 10 Гц составляет 14 мкВ, а средняя величина Цгт8 в диапазоне от 10 Гц
4 2
S 0
-8
10 t, c
15
20
Рис. 6. Пример результата измерений, полученного с помощью системы сбора данных в интервале времени 20 секунд с частотой 100 изм/с
Рис. 7. Один из результатов эксперимента по измерению шумового сигнала с помощью осциллографа
Рис. 8. Результаты одного из измерений на осциллографе шумового сигнала при закороченном входе схемы измерений
те
X ф
ч
те 0-
те
О £
Ф Ц
(Ч
0
5
см см о см
< I
со те
г
о со
.
<и
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
до 1 кГц составляет 15 мкВ. Указано, что полоса от 0,1 до 10 Гц выделялась с помощью фильтров высокой и низкой частоты, время измерений составляло 10 секунд, при этом неизвестно, что здесь использовалось в качестве измерительного прибора и какова статистика полученных экспериментальных данных. Оценки погрешности представленных в [1] данных для ир-р не приводится. Необходимо отметить, что такой оценки нет и в документах других компаний, разрабатывающих и выпускающих микросхемы ИОН. Нет ее и в настоящей работе. Следует признать, что казалось бы нормальной практикой представления погрешности данных по шумовым характеристикам в документации следовало бы приводить среднее квадратическое отклонение результатов, полученных при аттестации микросхемы. Однако такая практика не используется. Дело заключается в том, что в статистику представляемых в документации данных должны вносить вклад различные факторы. Это не только случайная погрешность получаемых результатов при аттестации конкретной микросхемы, но и разброс результатов для микросхемы одной партии, разброс результатов для микросхем различных партий и даже разброс результатов по Цр-р, полученных за один и тот же промежуток времени, но в разные его моменты. Последнее, как описано выше, было получено в настоящей работе при измерениях с помощью системы сбора данных для двух последовательных интервалов времени длительностью 10 секунд. Разброс значений шума ир-р для различных экземпляров микросхем, по-видимому, впервые был поднят в [2], и для микросхемы ЦГС6655 с выходным напряжением 2,5 В была получена гистограмма распределения микросхем по шумам. В соответствии с этой гистограммой 50 % экземпляров этих микросхем укладывались в величину ир-р меньше 0,246 ррт, 70 % укладывались в величину меньше 0,260 ррт и 90 % в величину меньше 0,292 ррт. Дальнейшее развитие использования гистограмм распределения микросхем по шумам получило в [3], где также построена гистограмма распределения микросхем с выходным напряжением 2,5 В по шумам Цр-р со статистикой для 300 штук в диапазоне
пульсаций Цр-р от 0,28 до 0,32 ррт. Однако пока большего распространения такой подход не получил.
В обычной практике низкочастотный шум во временном интервале 10 секунд измеряется на осциллографе. Связано это с большими экспериментальными трудностями измерения шума низкой частоты, главной из которых является высокая стоимость спектроанализато-ра или анализатора сигналов. Из-за случайной природы этого шума, как видно из результатов настоящей работы, более правильные результаты можно получить только при измерениях Цр-р в 10-секундных интервалах очень большое число раз. Для облегчения решения этой проблемы в диапазоне от 0,1 до 10 Гц можно использовать пиковый детектор [9].
Один из возможных способов аттестации шумов ИОН в низкочастотном диапазоне от 0,1 до 10 Гц может быть величина для этого диапазона. В настоящей работе, по-видимому, впервые для этого диапазона проведены совместные измерения Ц,-р и Цгт,. Среднее значение результатов шести измерений Цгт, на осциллографе составило 1,29 мкВ, а среднее значение измерений на системе сбора данных - 1,73 мкВ. Хотя расхождения этих результатов относительно невелики, но для каждого отдельного измерения на осциллографе частота дискретизации составляла 2500 изм/с, а для каждого измерения с помощью системы сбора данных 100 изм/с. Это, а также различие в погрешности измерений осциллографом и системой сбора данных могло оказать влияние на величины расхождений полученных результатов.
Важным вопросом в расчетах характеристик шумов является соотношение между Цр-р и Цгт,. Очень часто для пересчета используют соотношение Цр-р = 6,6-игт, [17]. Если воспользоваться предположением о том, что в ограниченной полосе частот от 0,1 до 10 Гц напряжение шума имеет статистический гауссов характер, то согласно этому соотношению величина Ц,-р должна превышать величину Цгт, в 6,6 раза всего в 0,1 % случаев. Однако, во-первых, распределение величин Цр-р по числу измерений вполне может быть негауссовым, во-вторых,
Заключение
На примере полученных в настоящей работе экспериментальных данных для шумовых характеристик микросхемы прецизионного источника опорного напряжения ЬТС6652 показано, что к имеющимся в технической документации данным нужно относиться критически. В случаях, когда для использования в создаваемой пользователем аппаратуре важно знать величину Цр-р конкретной микросхемы в диапазоне частот от 0,1 до 10 Гц, нужно для этой микросхемы провести измерение данной шумовой характеристики. Хотя создание соответствующего экспериментального стенда не является простой задачей, в настоящей работе показано, что правильное схемное решение для стенда, использование необходимых компонентов для реализации классической схемы измерений и меры по обеспечению высокой помехозащищенности стенда позволяют решить качественно проблему измерения шумовых сигналов низкого уровня, составляющих единицы микровольт.
здесь нормируется только превышение пересчетного коэффициента, иногда называемого крест-фактором, и в-третьих, не ясно, какое число измерений в статистике можно считать достаточным для выполнения этого соотношения. В datasheet на ИОН LTC6655 [2] отмечается, что при повторении измерений в 10-секундном интервале 1000 раз было получено, что имеются 10-секундные интервалы, для которых величина напряжения шума Up-p выше, чем приводимые в таблицах электрических характеристик типичные значения. Результаты всего трех наших измерений, сделанных с помощью системы сбора данных в 10-секундных интервалах, показали, что среднее отношение Up-p к UTms при общем числе измерений в каждом цикле, равном 1000, составило 6,7. То же отношение для измерений на осциллографе при 6 циклах и другом количестве измерений в цикле составило 5,9. Это было получено только для одного экземпляра микросхемы. Если же учесть, что приводимая в datasheet рекомендация должна представлять рекомендацию для большого количества микросхем в одной партии и даже для большого числа различных партий, ясно, что выдать такую рекомендацию затруднительно при принятом соглашении об одном и том же интервале измерений в 10 секунд. Хотя принятая рекомендация об использовании для аттестации шумовых характеристик ИОН спектрального интервала от 0,1 до 10 Гц является вполне оправданной, поскольку в практике использования ИОН при более высоких частотах от шума нетрудно избавиться с помощью отрезающих фильтров, к приводимым рекомендациям по значению Up-p следует относиться критически. Пользователю целесообразно самому создавать устройство, подобное представленному в настоящей работе, для измерений Up-p конкретной микросхемы. Необходимо добавить, что до настоящего времени методика измерений отечественных микросхем ИОН не гостирована. Разработанный в 1986 году ГОСТ [18], который с небольшими изменениями функционирует и в настоящее время, совсем не рассматривает нормировку шумовых характеристик микросхем ИОН.
Список литературы
1. LTC6652 Precision Low Drift Low Noise Buffered Voltage Reference. Data Sheet 6652fg. Linear Technology. 2007. P. 1-20.
2. LTC6655 0.25ppm Noise, Low Drift Precision References. Data Sheet 6655ff. Linear Technology. 2009. P. 1-26.
3. REF70 2ppm/°C Maximum Drift, 0.23 ppmpp 1/f Noise Precision Voltage Reference. Data Sheet SNAS7810 - October 2020 - revised December 2022. Texas Instruments. 2022. P. 1-40.
4. MAX6226 Ultra-High Precision, Ultra-Low Noise, Series Voltage Reference. Datasheet Maxim Integrated Products. 2020. P. 1-15.
5. Crupi F., Glusi G., Ciofi C. Enhanced — Sensitivity Cross Correlation Method for Voltage i Noise Measurements. IEEE Transaction on g Instrumentation and Measurements. 2006. V. 55. ° No 4. P. 1143-1147. S
Q.
6. Marzano M., Cultera A., Ortolano M., ni Callegaro L. A correlation noise spectrometer | for flicker noise measurements in graphene samples. Measurement Science and Technology. 2019. g V. 30. No 035103. 8 pp. il
7. E4727A Advanced Low-Frequency Noise Analyzer. Keysight Technologies. 2018. 18 pp.
8. AdMOS 3002A Flicker Noise Measurement System. Электронный ресурс: admos.de/wp/ content/uploads/2020/08/3002A_Flicker_Noise_ Measurement_ System. 2020. 2 pp.
9. Williams J. 775 Nanovolt Noise Measurement for A Low Noise Voltage Reference. Application Note 124f. 2009. 12 pp.
10. Patil S. Simple, Effective Method and Circuit to Measure Very-Low 1/F Voltage Reference Noise (< 1 p,Vp_p, 0.1 Hz to 10 Hz). Application Note 6206. Maxim Integrated Products. 2014. 12 pp.
11. Voltage Reference Application and Design Note AN177. Renesas. 2005. 34 pp.
12. Винников И.А., Кирюхин И.С., Черемухи-на Ю.Ю. Методы определения размаха напряжения низкочастотного шума прецизионного источника опорного напряжения. Наука и бизнес: пути развития. 2021. № 1 (115). С. 8-13.
13. High Voltage, Low Noise, Low Distortion, Unity Gain Stable, High Speed Op Amp ADA4898-1. Analog Devices Datasheet, Rev. B. 2008-2009. 20 pp.
14. OPA 827 Low-Noise, High-Precision, JFET-Input Operational Amplifier. Datasheet SBOS3761. Rev. 2016. Texas Instruments. 2016. 36 pp.
15. TPS7A4901 +36V, +150mA, Ultralow-Noise, Positive Linear Regulator. Datasheet SBVS121B. Texas Instruments. 2010. 23 pp.
16. TPS7A3001 -36V, -200mA, Ultralow-Noise, Negative Linear Regulator. Datasheet SBVS174. Texas Instruments. 2011. 26 pp.
17. Op Amp Noise Relationships: 1//Noise, RMS Noise, and Equivalent Noise Bandwidth. Analog Devices MT-048 Tutorial. 2009. 6 pp.
18. ГОСТ 26949-86. Микросхемы интегральные аналоговые. Методы измерения электрических параметров непрерывных стабилизаторов напряжения. С изменениями от 01.05.1991. Государственный комитет СССР по стандартам. 32 с.
Об авторах
Битюков Владимир Ксенофонтович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский ^ технологический университет», Москва, Российская Федерация.
0 Область научных интересов: физика и схемотехника источников вторичного электропитания, методы и приборы для измерения тепловых и электрических свойств веществ и материалов.
01
» Иванов Александр Александрович - старший инженер, ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический £ университет», Москва, Российская Федерация.
<1 Область научных интересов: проектирование электрических схем, микроконтроллеры, программирование. I
со те
5 Михневич Николай Григорьевич - заведующий лабораторией, ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет», Москва, Российская Федерация. О Область научных интересов: проектирование электрических схем, моделирование, испытания. аз
Петров Вадим Александрович - доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет», Москва, Российская Федерация. о Область научных интересов: экспериментальная физика и радиоэлектроника, автоматизация радиотехнического
* эксперимента, электрические и тепловые свойства веществ и материалов. г
I-
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
ф
(П (П
Method and measuring test bench for determination and analysis of low-frequency noise of low-noise precision reference voltage sources
Bityukov V. K., Ivanov A. A., Mikhnevich N. G., Petrov V. A.
MIREA - Russian Technological University, Moscow, Russian Federation
Based on the analysis of literature data and the measurement results obtained in this study, it is shown that in certain critical cases circuit designers should not rely on the information about noise characteristics for the microcircuits of precision reference voltage sources (RVS) provided in the data sheets, but rather take measurements individually for each microcircuit. The described electrical circuit and design of the new stand make it possible to measure the peak-to-peak noise voltage of just a few microvolts in the frequency range from 0.1 to 10 Hz, as well as the root mean square noise voltage value of the RVS in this frequency range. The results obtained for the LTC6652 microcircuit confirm the conclusions made in the work.
Keywords: microcircuit, reference voltage source, 1/f (flicker) noise, peak-to-peak voltage Up-p, root mean square voltage Urms, bandpass filter, pre-amplifier
Information about the authors
Bityukov Vladimir Ksenofontovich - Doctor of Engineering Sciences, Professor, MIREA - Russian Technological University, Moscow, Russian Federation.
Science research interests: physics and circuit design for secondary power sources, methods and instruments for measurement of electrical and thermal properties of substances and materials.
Ivanov Aleksandr Aleksandrovich - Senior Application Engineer, MIREA - Russian Technological University, Moscow, Russian Federation.
Science research interests: design of electrical circuits, microcontrollers, programming.
Mikhnevich Nikolay Grigorievich - Head of Laboratory, MIREA - Russian Technological University, Moscow, Russian Federation.
Science research interests: design of electrical circuits, modelling, testing.
Petrov Vadim Aleksandrovich - Doctor of Engineering Sciences, Professor, MIREA - Russian Technological University, Moscow, Russian Federation.
Science research interests: experimental physics and radio electronics, automation of experimental technique, electrical and thermal properties of substances and materials.
