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Erfahrung mit LTZ1000A Spannungsreferenzen
Motivation
Um rückführbare Kalibrierungen im Spannungsbereich machen zu können, müssen wir den Anschluss an das Volt in der Zeit zwischen zwei externen Kalibrierungen bewahren. Ausserdem müssen wir sicherstellen, dass bei der externen Kalibrierung der Referenzspannungsquelle sich diese nicht aufgrund des Transports unzulässig verändert. Daher betreiben wir 4 im Wesentlichen gleich aufgebaute Referenzspannungsquellen von denen eine jeweils extern kalibriert wird, um den Anschluss an das höhere Normal zu aktualisieren.
Umsetzung
Wir haben Ende 2013 vier Referenzspannungsquellen auf Basis der LTZ1000A Linear Technologies (heute Teil von Analog Devices) aufgebaut. Wir haben im Wesentlichen die Schaltung der “7V Positive Reference Circuit” aus dem Datenblatt übernommen. Als Widerstände wurden axiale Vishay Metallfilmwiderstände mit einem Temperaturkoeffizienten von 5ppm eingesetzt. Die Geräte werden kontinuierlich betrieben.
Messungen Ausgang 7V nominal
Die Geräte besitzen einen Ausgang der etwa 7V beträgt und direkt der durch die LTZ1000A generierten Ausgangsspannung entspricht. Diese ist von Gerät zu Gerät etwas unterschiedlich (7.14V bis 7.20V). Das Referenzgerät hat die Nummer 131220_ASC_01#4 und wird regelmässig extern kalibriert. Die folgende Grafik zeigt die relative Abweichung der 7V Ausgänge in Bezug zu diesem Referenzgerät. Dabei wurden die Kurven um den Offset wie er bei der letzten Messung sich ergab verschoben.
Die 7V Ausgangsspannungen der vier Geräte bewegen sich seit der Herstellung in einem Band der Breite von 3ppm zueinander. Es scheint unterschiedliche Einflüsse auf die Drift der Geräte zu geben, da die Entwicklung etwas uneinheitlich verlief. Erst in den letzten 3 Jahren scheint ein gleichmässigerer Verlauf einzusetzen.
Laut Datenblatt ist die Langzeitstabilität 0.28ppm pro Wurzel aus der Zeit in 1000h Einheiten. Nach 6 Jahren sollten wir daher eine maximale Drift von 2.0ppm haben. Tatsächlich ergibt sich aus den externen Kalibrierungen eine Drift von 6ppm. Die Ursache für die grössere Drift wird in den verwendeten Widerständen gesehen.
Messungen Ausgang 10V nominal
Neben dem 7V Ausgang hat jedes Gerät auch einen 10V Ausgang. Die folgende Grafik zeigt die zeitlich Änderung des Verhältnisses zwischen 10V und 7V Ausgang verschoben um das Verhältnis bei der letzten Messung.
Die 10V Spannung wird aus der 7V Spannung unter Verwendung eine Operationsverstärkers erzeugt. Dessen Verstärkung wird durch zwei Metallfolienwiderstände festgelegt. Einer dieser Widerstände wurde durch Lasertrimmung genau eingestellt. Es zeigt sich aber, dass diese nicht speziell gekapselten Widerstände aufgrund der nicht konstanten Luftfeuchte eine jahreszeitliche Fluktuation aufweisen. Bei dem Gerät 121220_ASC_01_4 wurden daher nach etwa einem Jahr die Widerstände durch hermetisch gekapselte Widerstände ersetzt (rote Kurve). Damit wurde die jahreszeitliche Variation vermieden. Die Langzeitdrift des Widerstandsverhältnisses beträgt weniger etwa 0.1ppm/Jahr
Fazit
Die Referenzspannungsquellen mit der LTZ1000A bieten eine hohe Stabilität, um den Anschluss an das Volt über Jahre mit einer Sicherheit von 1ppm zu garantieren. Durch die Verwendung von mehreren Geräten können Defekte entdeckt und der Transfer zu externen Laboren sichergestellt werden.