Erfahrungen mit Hysterese und Alterung von Referenzspannungsquellen?

Hallo Anja,

du bist da in einem Bereich, in dem auch die anderen Bauteile beginnen 
Hysteresen, Unlinearitäten, Rauschen und irreversible Veränderungen zu 
zeigen. Also auch die normalen Widerstände, Kondensatoren und der ADC 
selbst. Auch der NTC ist vielleicht nicht so stabil, wie du denkst. Und 
dann schließlich bekommst du noch Ärger mit den Thermospannungen. Fies 
sind Thermospannungen, die bei ungleichmäßiger Erwärmung der Schaltung 
entstehen, da du diese in der Regel nicht kompensieren kannst.

Bei den Referenzen ist es gewöhnlich so, daß die Alterung am Anfang am 
höchsten ist und dann abnimmt. Man kann das Ganze auch durch eine 
Burn-in Prozedur beschleunigen.

Ich würde dir empfehlen, mehrere identische Meßkreise aufzubauen und 
dann geeignet zu mitteln. Also alles duplizieren, NTC, 
Spannungsreferenz, ADC, etc. So bist du gefeit gegen statistisch 
gestreute Einzelmeßfehler. Einen systematischen Meßfehler kannst du so 
natürlich nicht ausmitteln.

Ich erinnere mich an eine Schaltung, bei der der Meßwert immer 
abschmierte, wenn man das Gerät an einer bestimmten Stelle berührte. Der 
Grund: Ein OPamp steckte in einer Präzisionsfassung und wurde 
mikroskopisch verbogen, wenn man das Gehäuse berührte. Manche OPamp sind 
hinsichtlich ihrer Offsetspannung extrem empfindlich gegen mechanische 
Spannungen des Dies! Das gilt sicher auch für andere Chips wie 
Referenezn und ADCs...

Kai Klaas

Bin zwar kein Genauigkeitsfanatiker, könnte mir aber vorstellen lieber 3 
Referenzen zu benutzen. Damit den Mittelwert bilden und gleichzeitig 
eine gewisse Ausfallsicherung über längerer Zeit zu gewährleisten.

Eins dieser Systeme würde ich zur Prüfung stromlos mit einem Sieb einige 
Minuten ins kochende Wasser hängen, einige Tage trocknen und dann die 
Vergleichswerte ermitteln. Damit sollten z.B. Gehäuseundichtheiten für 
die nächste Zeit rechtzeitig festgestellt werden.

Hallo zusammen,

vielen Dank für eure Erfahrungen.

@Kai:

Auch ich habe schon so ein paar Erfahrungen gemacht. z.B. bis zu 400 uV 
Differenzspannung beim leichten verbiegen der Leiterplatte. Berühren der 
Referenz sollte man eh vermeiden da sonst wieder Kriechströme auf der 
sorgfältig gereinigten Leiterplatte entstehen können.

Mit der Zeit entwickelt man dann so seine Eigenheiten:

man denkt über mechanisch spannungsfreie Befestigung der Referenz auf 
der Leiterplatte nach. (Massepin eingelötet und andere Pins über 
Fädeldraht). Man führt Bedienvorgänge an der Schaltung nur noch mit 
Kunststoffpinzette durch die man nach jedem Bedienvorgang sorgfältig 
wieder an "ihren" Platz legt, weil sonst die Thermospannungen für die 
nächsten 5 Minuten eine sinnvolle Messung verhindern. Fassungen sind 
wegen der Thermospannung sowieso Tabu.
Widerstände verwende ich bis jetzt gar nicht im Signalzweig. Für 
Spannungsteiler (2:1 oder 4:1) verwende ich einen LTC1043 
(Präzisions-Ladungspumpe).

Meine derzeitigen "Vergleichsnormale" sind 2 LM399 (Beheizte 7V 
Referenzen) die ich seit ca. einem Jahr kontinuierlich betreibe. Von der 
Theorie her müßte ja die Alterung abnehmen. Was ich beobachte ist daß 
die beiden Spannungen im Mittel (mit Ausreißern) nahezu linear um 
2uV/Tag aufeinander zu driften. Erwarten würde ich eine Abnahme der 
Drift über der Zeit.


@Oszi40:

Die Idee mit dem kochen der Schaltung hat was. Wobei es mir widerstrebt 
eine kalte Schaltung in kochendes Wasser zu legen. Ich würde eher 
langsam garen um die Thermischen Spannungen (vom Lötvorgang) aus dem 
Gehäuse zu nehmen und die "faulen ICs" zu detektieren.

@alle:
Was ich immer noch suche sind konkrete Erfahrungen zu Hysterese.
Sowie eine Methode wie ich aus mehreren Referenzen ohne genauerers 
Meßgerät diejenige mit der geringsten Alterung herausfische.

Du meinst wohl die LTZ1000?

Die hat allerdings 7,2V. Taugt also nur als Vergleichsnormal, nicht 
jedoch als Referenz für den LT2400. Werde ich mir wohl oder übel 
irgendwann mal zulegen müssen.

Hast Du eine Bezugsquelle hier in D wo ich so 4 Stück privat kaufen 
kann?
Und die nötigen Präzisionswiderstände (120R, 1K, 12,4K, 2*70K) Vishay 
VHP203 (oder zur Not auch S102) unter 20 Euro / Stück?

Hallo Hacky,

Wenn ich das Datenblatt des LTZ1000A richtig verstanden habe kommt es 
lediglich auf die Temperatur (TC) und Langzeitstabilität (shelf life) 
der Widerstände an.
Auf der ECOMAL Seite habe ich in der Lagerliste keine S102 Widerstände 
mit ca 70 k-Ohm gesehen. Bestellen die einem auch 8-10 Stück die sie 
nicht am Lager haben oder muß ich die womöglich irgendwie "stückeln".

Hallo Anja,

>Meine derzeitigen "Vergleichsnormale" sind 2 LM399 (Beheizte 7V
>Referenzen) die ich seit ca. einem Jahr kontinuierlich betreibe. Von der
>Theorie her müßte ja die Alterung abnehmen. Was ich beobachte ist daß
>die beiden Spannungen im Mittel (mit Ausreißern) nahezu linear um
>2uV/Tag aufeinander zu driften. Erwarten würde ich eine Abnahme der
>Drift über der Zeit.

Also, was abnimmt ist die Änderung der Änderung, nicht die Änderung 
selbst. Die lineare Änderung mit der Zeit, die du gerade beobachtest, 
ist bereits der optimale Zustand!

Man kann das schön an dem Bild im Anhang erkennen. Dort ist der 
beschleunigte Alterungsprozess (Burn-In) eines OP27 
Operationsverstärkers mit seiner Offsetspannung zu sehen. Das Bild 
stammt aus einem alten Datenbuch von Analog Devices. Man erkennt schön, 
daß die Änderung am Anfang besonders groß ist, dann abnimmt und 
schließlich in eine konstante Änderung übergeht. Gegen welche konstante 
Änderung das Ganze driftet hängt vom jeweiligen Chip ab, so wie du auch 
gerade beobachtest. Die beiden Referenzspannungen müssen aber keineswegs 
von beiden Seiten gegen einen konstanten Wert driften, sondern die 
Änderung eines jeden Chips kann individuell gegen eine ganz bestimmte 
konstante Änderung driften, also der eine beispielsweise gegen 
+10ppm/1000h und der andere gegen +25ppm/1000h, oder der eine gegen 
-25ppm/1000h und der andere gegen +10ppm/1000h, oder oder oder.

Ich kenne nur eine einzige Spannungsreferenz, bei der jemals im 
Datenblatt eine maximale Long-Term Drift angegeben wurde und das ist der 
AD588, mit einer typischen Long-Term Drift von +/-15ppm und einer 
maximalen von +/-25ppm/1000h. Das weist jedenfalls ein Datenblatt von 
1988 aus. Leider ist diese Spezifikation in den heutigen Datenblättern 
wieder herausgenommen worden!

Es erscheint mir sinnvoll, eine Referenz zu verwenden, die in einem 
Keramikgehäuse sitzt und diese weitestgehend spannungsfrei auf einer 
Platine zu befestigen. Zusätzliche Temperierung auf einer möglichst 
niedrigen Temperatur hält die Alterung nach unserem Freund Arrhenius 
besonders niedrig und sollte Hyteresen minimieren. Ich denke, daß ein 
paar Temperaturzyklen sich auch positiv auf die Hysterese auswirken 
könnte, um dadurch die interne Mimik mechanisch zu entspannen und den 
zerrenden Kräften mal zu erlauben sich auszutoben.

Kai Klaas

Siehe auch das Bild im Anhang, das die Offset-Drift eines OP27 von TI 
zeigt. Die Offsetwerte streben nicht gegen einen konstanten Wert, 
sondern bestenfalls gegen eine konstante Änderung.


Kai Klaas

Hallo Kai,

lassen sich die Alterungsangaben von OPs 1:1 auf Referenzen übertragen?

Bei LT habe ich für Referenzen folgende Aussage (Seite 3)

http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an82f.pdf

> Another detractor from accuracy is long-term stability.
> The output of a reference changes, usually in one direction,
> as it ages. The effect is logarithmic; that is, the output
> changes less and less as time progresses. The units of
> long-term stability, ppm/sqrt(kh) (kh = 1000 hours), reflect the
> logarithmic decline of the output change vs time.

Daher bin ich davon ausgegangen daß beide Spannungen je für sich mit der 
Zeit immer stabiler werden müßten. Und die Differenz in Folge ebenfalls.

Meine bisherigen Messungen sprechen leider dagegen, so daß ich
mich durchaus Deiner Argumentation anschließen könnte!!!
-> da muß ich mich nochmal bei anderen Herstellern umsehen wie die das 
spezifizieren.

Mit den bei mir vorhandenen Mitteln kann ich allerdings nur die 
Differenzspannung mit genügender (relativer Genauigkeit) messen.
Für die absoluten Spannungen muß ich sehen daß ich an ein genügend 
genaues/stabiles Meßgerät herankomme.

Bei der letzten "Kalibrierung" der LM399 habe ich zu Hause feststellen 
müssen daß mir ca. 30uV (Differenz) abhanden gekommen sind. Als Ursache 
konnte ich dann eine Lageabhängigkeit (aufrecht, über Kopf, bzw auf 
einer Seite) festgestellt. Natürlich habe ich den Aufbau bei der 
Kalibrierung nicht exakt dokumentiert ...
Übrigens brauchen die LM399 bei mir über Kopf stehend den geringsten 
Heizstrom. Ich hätte eigentlich erwartet daß die Wärmeabstrahlung in 
Normallage am geringsten ist (wegen der Isolierenden Kappe).

Hallo Anja,

der Offset des OP27 wird mittels Zener Zap Trimming auf dem Chip 
abgeglichen. Dann könnte das Long-Term Driftverhalten der Offsetspannung 
schon dem einer Zenerdiodenreferenz ähneln.

Bei den Zenerdiodenreferenzen sagt man, daß die Drift durch 
Kontamination der Sperrschicht mit Ionen aus der Nachbarschaft, nämlich 
Natrium und Wasserstoff erfolgt, die zu einer Veränderung der Breite der 
Sperrschicht und damit der Sperrspannung (= Referenzspannung) führt. 
Leicht einzusehen, daß das irgendwie einem exponentiellen Zeitgesetz 
folgt und der Kontaminationsvorgang irgendwann "abgeschlossen" ist. Die 
Frage ist nur, welche Zeitkonstanten da im Spiel sind. Wenn das sehr 
sehr lange dauert, dann kann das für einen "kurzen" Beobachtungszeitraum 
wie ein lineares Zeitgesetz aussehen, meint, du würdest ein 
Kleinerwerden der Änderungsrate erst in ein paar Jahren beobachten.

Hier habe ich noch einen Leckerbissen für dich. Es soll sich hierbei um 
die genaueste Referenz auf dem Markt handeln (was auch immer das heißen 
soll):

http://www.cirrus.com/en/pubs/proDatasheet/VRE3050_F.pdf

Kai Klaas

Hallo ihr seid Spitze!

Ich hätte nicht gedacht daß noch so viele wertvolle Infos für mich 
rüberkommen.

@Kai: Die VRE-Referenz habe ich schon verzweifelt gesucht.
Der Hersteller hieß früher "Thaler" die Webseite www.thaler.com ist 
jedoch mindestens seit 14 Tagen tot. Und auch bei www.aufzu.de ist noch 
kein Eintrag daß die jetzt "cirrus" einverleibt wurden.

Gruß Anja

Hallo Andrew,

>Also für 20/24Bit Wandler wie am Anfang des Threads erwähnt ist das
>immer noch "zu knapp".

Was würdest du vorschlagen?

Kai Klaas

Hallo Kay, Andrew,

> Hier habe ich noch einen Leckerbissen für dich. Es soll sich hierbei um
> die genaueste Referenz auf dem Markt handeln (was auch immer das heißen
> soll):

von den technischen Daten her ist die schon ganz toll:

Temperaturkoeffizient max 0,6ppm/K (0,3ppm typ)
gegenüber 3ppm(2ppm) bei einer LT1027
bzw. 1 (0,5ppm) bei einem MAX6350.

Hysterese 1ppm (typ.) gegenüber 10-20ppm (typ.) bei LT1027/MAX6350.

Alterung 6ppm/khr gegenüber 20pmm/month bzw. 30ppm/khr bei 
LT1027/MAX6350.

Nur mit dem Preis kommt die Ernüchterung knapp 70 Euro (netto) bei 
Digikey (und noch nicht mal ab Lager) und das für eine "LOW COST 
REFERENZ" (laut Datenblatt). Für den Preis kriegt man 3 MAX6350 oder 10 
LT1027. Das muß ich mir noch ein bischen überlegen. Obwohl es mich 
natürlich reizen würde zu sehen ob nach Temperaturkorrektur die VRE als 
5V-Referenz immer noch einen Vorteil bietet.

>Also für 20/24Bit Wandler wie am Anfang des Threads erwähnt ist das
>immer noch "zu knapp".

Ja ist klar. Deshalb mache ich ja eine Temperaturmessung und einen 
Abgleich der Temperaturabhängkeit (Parabel 3. Ordnung). Das bringt 
nochmal ca. einen Faktor 10 (oder 3-4 Bits) an Reproduzierbarkeit. 
Zumindest im mich interessierenden Temperaturbereich 25+/-15 Grad.

Hallo Anja,

>Nur mit dem Preis kommt die Ernüchterung knapp 70 Euro (netto) bei
>Digikey (und noch nicht mal ab Lager) und das für eine "LOW COST
>REFERENZ" (laut Datenblatt).

So etwas darfst du natürlich nicht bei Digikey kaufen. Du solltest mit 
dem Hersteller direkt Kontakt aufnehmen und nach einem geeigneten 
Distributor fragen. Wenn du das nett und freundlich machst, bekommst du 
vielleicht sogar mehr kostenlose Muster, als du erhoffst hast...


>>Also für 20/24Bit Wandler wie am Anfang des Threads erwähnt ist das
>>immer noch "zu knapp".
>
>Ja ist klar. Deshalb mache ich ja eine Temperaturmessung und einen
>Abgleich der Temperaturabhängkeit (Parabel 3. Ordnung). Das bringt
>nochmal ca. einen Faktor 10 (oder 3-4 Bits) an Reproduzierbarkeit.
>Zumindest im mich interessierenden Temperaturbereich 25+/-15 Grad.

Man muß fairerweise erwähnen, daß natürlich auch ein 24it Wandler 
letztlich nicht wirklich 24bit "macht". Er hat zwar eine "Auflösung" von 
24bit, aber keine "Genauigkeit" von 24bit. Das relativiert die 
Geschichte doch erheblich.

Kai Klaas

Tja: Was nützen hochgenaue Referenzen, wenn der "hochgenaue" AD-Wandler 
mit der Temperatur wegläuft oder trotz hoher Bitzahl etwas lügt?

Das wird nicht ganz einfach.

Hallo,

eigentlich wollte ich in diesem Thread ja nicht über den AD-Wandler 
diskutieren:

>Tja: Was nützen hochgenaue Referenzen, wenn der "hochgenaue" AD-Wandler
>mit der Temperatur wegläuft oder trotz hoher Bitzahl etwas lügt?

Der Wandler hat typ 0.02 ppm/K Drift. Solange ich mit der Referenz noch 
nicht dort angekommen bin, stört mich das nicht. (Vielleich mache ich 
dann in 2-3 Jahren einen neuen Thread auf).
Natürlich ist mir bewußt daß von den 24 Bit des Wandlers (sind übrigens 
intern 28 Bit) letztendlich nur ca 18-19 Bit verwertbar sind nachdem ich 
den größten Fehler (INL) herauskompensiert habe.
Im Vergleich zu den 2-4 ppm (Rest-)Wandlerfehler stört mich im Moment 
eine Hysterese von 20ppm und eine Alterung von 20ppm/1000h (6 Wochen) 
wesentlich mehr.

Wobei wir wieder beim Thema wären:

- Wer hat eine Methode ohne hochgenaues Meßgerät aus einer Reihe von 5V 
Referenzen, diejenige mit der geringsten absoluten Alterung 
herauszufischen.

bzw.

- Wer hat Erfahrungen wie es mit der Hysterese der Referenzen 
tatsächlich aussieht. Die LT1027 die ich bisher untersucht habe haben im 
Temperaturbereich 10-40 Grad weniger als 2 ppm Hysterese, was im 
Verhältnis zum Datenblatt mit 10ppm für +/-25 Grad (bzw. 3.6ppm 
quadratisch zur Auslenkung heruntergerechnet auf +/15 Grad) durchweg 
besser ist.

Hallo Anja,

>Natürlich ist mir bewußt daß von den 24 Bit des Wandlers (sind übrigens
>intern 28 Bit) letztendlich nur ca 18-19 Bit verwertbar sind nachdem ich
>den größten Fehler (INL) herauskompensiert habe.

Ja, 18bit klingt sehr vernünftig.

>- Wer hat eine Methode ohne hochgenaues Meßgerät aus einer Reihe von 5V
>Referenzen, diejenige mit der geringsten absoluten Alterung
>herauszufischen.

Ohne hochgenaues Meßgerät? Garnicht! Wie soll das gehen, wenn du nicht 
gerade Jesus bist oder eine Zeitmaschine hast?

Zunächst würde ich mir eine Super-Referenz aus möglichst vielen 
Einzelreferenzen basteln, bei denen genau so viele eine positive und 
negative Langzeitdrift zeigen. Das sollte die Drift statistisch 
weitgehend wegmitteln. Der Aufbau sollte erschütterungsfrei und 
klimageregelt sein, das volle Programm.

Dann würde ich mit den zu testenden Referenzen bei leicht erhöhter 
Temperatur ein beschleunigtes Altern über eine Dauer von vielleicht 
1000h durchführen. Wenn die Alterung tatsächlich durch Diffusion von 
Ionen, also Ionen-Kontamination des Dies stattfindet, dann sollte eine 
Temperaturerhöhung ein beschleunigtes Altern zur Folge haben.

Mit deiner Super-Referenz testet du nun in regelmäßigen Abständen, 
vieleicht jeden Tag oder so, die tatsächliche Referenzspannung der 
Samples und solltest nach 1000h den Trend einer jeden Referenz erkennen 
können. Mit dem künstlichen Voraltern solltest du auf jeden Fall diese 
unvorhersagbaren Anfangsänderungen, die in den ersten Tagen auftreten, 
in den Griff bekommen. Danach geht die Alterung in einen quasi-linearen 
Bereich über mit einem deutlich erkennbaren Trend.

Ich denke, daß es nicht sinnvoll ist, mit dieser Methode aus einem Pool 
von schlechten Referenzen eine sehr gute herausfischen zu wollen. Das 
Grundmaterial sollte schon erste Sahne sein, sonst hast du nicht mal 
einen stabilen Trend.

Kai Klaas