Обещанная статья у меня что-то не клеится. Даже озаглавить её не получается.
А посему, если уважаемые коллеги не возражают выложу очередные размышления по теме раздела.
ИОНы vs температура.Очень часто при проектировании ИОН с высокими техническими требованиями на первый план выходят множество задач «тактического» характера, которые затмевают собой более важные «стратегические» задачи, например, по обеспечению долговременной стабильности выходных параметров ИОН. К числу первых относится решение проблемы температурной зависимости характеристик наиболее критичных для ИОН компонентов, как правило, резисторов, делителей, стабилитронов, опорных источников и др.
Классический подход к решению известен ещё со времён химических ИОН – нормальных элементов Вестона и заключается в термостатировании всего прибора или его части. В этом случае температурные коэффициенты (ТК) напряжения, сопротивления и пр. уже не являются определяющими, исключается необходимость подбора элементов по одинаковым ТК, повышается технологичность конструкции в целом. В качестве примера можно рассмотреть многоканальную меру напряжения Guildline 4400. Разработанная в 1985 г. она до сих пор может дать фору многим калибраторам и эталонам, обеспечивая долговременную стабильность 2 ppm/год и ТКН 0,04 ppm/С! Незамысловатая конструкция Guildline 4400 включает в себя две термостатированные камеры в которых расположена вся метрологически важная электронная «начинка» в виде унифицированных плат, каждая с 8 шт. ИОН LM329 на борту. При этом по спецификации LM329 имеет ТКН всего-навсего 50-100 ppm/С.
Вполне очевидным недостатком столь кардинального решения является исключительно долгое время выхода на рабочий режим ввиду большой термостатируемой массы. Если бы можно было оставить в термостате только самое необходимое, например, стабилитрон, это значительно повысило бы оперативность работы с прибором и снизило энергопотребление. Такой подход так же получил всеобщее признание и стал повсеместно применяться в стационарной и переносной метрологической аппаратуре. Конечно о какой-либо типизации конструкций говорить не приходится, и подтверждением тому некоторые примеры: термокамера стабилизатора напряжений П36 похожа скорее на небольшую муфельную печку, внутри неё расположены стабилитроны Д814 с медными проволочными резисторами для корректировки ТКН; ИОН в 7,5-разрядном мультиметре Solartron 7075 имеет термисторный нагреватель размером с напёрсток, внутри которого скромно расположился сертифицированный стабилитрон USR932; в отечественном вольтметре В7-34А ИОН имеет ещё более изящную конструкцию с однослойным медным нагревателем на слюдяной гильзе и крошечным бусинковым терморезистором в качестве датчика обратной связи.
Не смотря на столь широкое разнообразие размеров и конструктивных исполнений, лучшие умы продолжали работать над совершенствованием параметров прецизионных ИОН и их миниатюризацией. В начале 70-х годов Роберт Добкин (Robert Dobkin) из National Semiconductor разработал топологию интегрального ИОН на базе термостатированного стабилитрона с заглублённым p-n переходом (buried zener) – LM399 (LM199, 299). В LM399 на одном кристалле в крошечном металлическом корпусе TO-46 расположились нагреватель, схема его управления и собственно сам ИОН. Для уменьшения тепловых потерь и устранения влияния конвективных потоков на корпус надевается полисульфоновая защитная оболочка.
Что примечательно, в 90-х годах в некоторых отечественных справочниках по полупроводниковым приборам внезапно появился стабилитрон марки 2С483, который по своим структуре, параметрам и исполнению корпуса точь-в-точь совпадал с LM399. К сожалению, дальше этой рекламной акции по-видимому дела у НПП «САПФИР» не сдвинулись, а посему «наш ответ» LM399 так и остался на бумаге.
С начала серийного выпуска в 1976 г. LM399 очень быстро завоевал доверие обширной аудитории разработчиков прецизионных вольтметров, калибраторов, эталонов и АЦП. Его шумовые характеристики и долговременная стабильность в совокупности с низкой себестоимостью и возможностью отбора по параметрам обеспечили область целесообразного применения в измерительной аппаратуре с динамическим диапазоном шкалы (по напряжению) от 4,5 до 6,5 десятичных разрядов. На большее, увы, LM399 не способен по причине значительного шума 1/f, и завышенной (нерегулируемой) температуры термостатирования – около 90 гр. C.
Лишь в 1987 году в Linear Technology был разработан и запущен в производство более совершенный термостатированный ИОН LTZ1000, многократно превосходящий по параметрам любые существовавшие в то время разработки. По иронии судьбы, автором архитектуры LTZ1000 был всё тот же Роберт Добкин, покинувший National Semiconductor и ставший сооснователем Linear Technology.
Поскольку LTZ1000 был разработан сравнительно недавно, возникает вопрос о том, какие альтернативные исследования проводились в области улучшения характеристик ИОН? Тем более, что 7,5 и 8,5-разрядные вольтметры существовали задолго до 1987 года.
Здесь придётся обратить внимание на то, что для таких приборов более актуальной является «стратегическая» задача – обеспечение долговременной стабильности, в то время, как температурные коэффициенты и т. п. уходят на второй план. Действительно, можно термостатировать весь прибор, можно разместить всю лабораторию в термоконстантном помещении и минимизировать тем самым все температурные зависимости, но нельзя заставить стабилитрон, резистор или опорный источник не стареть, нельзя остановить термодиффузионные процессы, миграцию примесей, релаксацию остаточных напряжений, аннигиляцию дислокаций и пр. и пр. В качестве примера предлагаю посмотреть на график дрейфа напряжения стабилизации отечественного сертифицируемого стабилитрона серии 2С108 за 1000 часов наработки при рабочей температуре 45 гр. С:
С этой точки зрения от повышения температуры метрологически критичных элементов ИОН скорее больше вреда, чем пользы. Достаточно вспомнить, что LM399 работает при 90-95 гр. С, более стабильный LTZ1000 рассчитывается уже на 65 гр. С, а в некоторых эталонах напряжения и образцовых мультиметрах (Fluke 7001, Fluke 8508A, HP3458A-opt002) снизили температуру ещё больше, до 45 гр. С.
Тогда почему бы не отказаться от термостатирования вовсе? Предпосылкой в пользу такого решения может стать тот факт, что многие прецизионные стабилитроны и опорные источники имеют встроенные элементы для термокомпенсации и по сути проблема сводится к отысканию рабочего тока, при котором ТКН близок к нулю. К примеру, в первых отечественных прецизионных стабилитронах Д818 в качестве таких элементов компенсации использовались два последовательно включенных прямосмещённых p-n перехода. На фотографии приведены ИОНы мультиметра Datron 1081 и калибратора Datron 4000A, в которых для формирования опорного напряжения используются вполне заурядные и распространённые стабилитроны 1N829. Единственное, что их отличает от тех, что продаются в магазине, так это предварительная термотренировка – искусственное старение – и подбор по параметрам.
За рубежом пошли дальше и разработали опорные источники в которых для термокомпенсации использовался переход база-эмиттер размещённого на том же кристалле n-p-n транзистора. Такие комбинированные приборы стали производиться многими компаниями и получили название RefAmp (Reference Amplifier). Вот неполный перечень их марок: 3DG12, 3DK4, 2DW7, 2DW230-236, 2DW14-18, MCA19xx-22-xx, SZA263, LTFLU-1.
Два последних из списка в период с 1974 по 1990 г.г. применялись фирмой Fluke в качестве центрального элемента своих калибраторов, мультиметров и эталонных источников. SZA263 был разработан компанией Motorola, выпускался только для Fluke и в свободную продажу не поступал. В последствии Fluke заключила соглашение с Linear Technology и заменила SZA263 на LTFLU-1. Впрочем сменилась только маркировка (LTFLU = Linear Technology + Fluke), цоколёвка и параметры остались без изменений. Как и его предшественник, проприетарный LTFLU-1 в открытой продаже никогда не был.
Ещё более сильный ход сделала британская компания Solartron Instruments Ltd. При разработке своего флагмана – первого в мире 8,5-разрядного мультиметра Solartron Schlumberger 7081 инженеры компании решили не использовать термостатирование стабилитрона (да-да, всё того же 1N829), а ввести вместо этого возможность программного выбора его рабочего тока.
С этой целью в структуру ИОН введён 6-битный ЦАП с помощью которого при инициализации мультиметра задаётся требуемый ток через стабилитрон. Сила тока, соответствующая нулевому ТКН, определяется заранее в процессе длительных термотренировки и испытаний стабилитронов на заводе. Далее она кодируется в единицах шкалы ЦАП и записывается в РПЗУ мультиметра в процессе его калибровки. Таким образом, с одной стороны существенно упрощается настройка и калибровка мультиметра, с другой – уменьшается дрейф ИОН за счёт снижения рабочей температуры.
И всё было бы хорошо, если бы не один малоприятный факт: выбор оптимального рабочего тока стабилитрона обеспечивает нулевой ТКН, но только при определённой температуре, или в лучшем случае – в узком интервале температур. При выходе за границы этого интервала ТКН снова начинает меняться, при чём по параболическому закону. На рисунке показано полученное автором семейство кривых температурной погрешности напряжения стабилизации 1N829 в диапазоне рабочего тока от 5 до 7,7 мА.
Впрочем, эта проблема не остановила инженеров Solartron. Они обратили внимание на то, что графики функций температурной погрешности унимодальны и довольно точно аппроксимируется полиномами второй степени, имеющими один и тот же коэффициент при старшем члене и отличающимися лишь положением экстремума. Следовательно, рассуждали инженеры Solartron, можно подобрать обратную по знаку функцию, которая бы легко реализовывалась аппаратно и имела бы аргументом только температуру стабилитрона или области рядом с ним.
В конечном итоге так и поступили: добавили в ИОН датчик температуры AD590 и дополнительный узел в виде аналогового вычислителя квадратичной функции на ОУ и транзисторной сборке. Этот узел формирует падение напряжения на резисторе 100 Ом, которое складывается с падением напряжения на стабилитроне и компенсирует температурную погрешность. В качестве значения опорной температуры, к которой приводятся нулевой ТКН стабилитрона и экстремум квадратичной функции, выбрано 27 гр. С, что на мой взгляд весьма странно, поскольку установившаяся температура в корпусе мультиметра намного больше и составляет 45-55 гр. С.
Математическое моделирование точности корректировки ТКН даёт весьма оптимистичные результаты: дрейф не хуже 0,1 ppm в диапазоне температур от 25 до 60 гр. С. Реально же получается более скромная величина. В первых рекламных буклетах на модель 7081 указывался ТК = 0,8 ppm/С, в окончательной спецификации 0,5 ppm/С.
Мультиметр Solartron Schlumberger 7081 производился с 1983 по 1989 г.г. до тех пор, пока не утратил все свои конкурентные преимущества по сравнению с другими 8,5-разрядными мультметрами, которых в общей сложности было разработано всего 10 моделей и все без исключения основаны на LTZ1000.
На этом можно было бы поставить точку, но для полноты картины стоит сказать о том, что, не смотря на свою исключительность, LTZ1000 всё же не панацея и не свободен от недостатков, самый главный из которых – термомеханический гистерезис. Он проявляется при смене теплового режима ИОН, например, в результате временного отключения питания, и приводит к непредсказуемому изменению напряжения стабилизации на 2-10 ppm. Подобное поведение ИОН вынуждает держать ИОН включенным постоянно и использовать батареи резервного питания при его транспортировке.
Но даже с такой фундаментальной проблемой можно успешно бороться. В 1994 году Джон Пикеринг (John Pickering) из британской компании Metron Designs зарегистрировал патент, в котором предложил способ и устройство для устранения последствий эффекта термомеханического гистерезиса в электронных компонентах при термосмене. На примере LTZ1000 он показал, что последовательная циклическая смена температуры термостатирования с асимптотическим приближением к рабочему тепловому режиму позволяет практически полностью восстановить выходное напряжение ИОН даже после длительного времени бездействия.
Ввиду схожести с процессом размагничивания металлических конструкций предложенный способ унаследовал название «degaussing» (размагничивание). На его основе компанией Fluke был разработан и с 2000 года стал выпускаться переносной эталон напряжения модели 7001. В Fluke 7001 был предусмотрен режим «conditioning» (кондиционирование, тренировка) занимающий по времени до 8 часов и позволяющий транспортировать эталон даже в выключенном состоянии без снижения точности воспроизведения напряжения.
Таким образом, результаты трудов Джона Пикеринга не пропали даром. Стоит сказать о том, что он являлся сооснователем легендарной Datron Instruments, в 1990-м вышел из её состава и организовал собственную фирму Metron Designs Ltd., оказывающую консультационные услуги в области электроники и измерительной техники. Как оказалось, услуги весьма полезные.
. Я всего лишь хотел продемонстрировать одну из существующих методик. Что до фотографии платки - это поделка выходного дня, не обращайте на неё внимание.
