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楼主: pfcz

自制低频噪声Vpp可低于0.5uV的新型1V电压基准

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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
longshort 发表于 2019-3-16 07:28
不妨先用贴片三极管与贴片肖特基二极管在一小块铝或铜的均温块上做一个模型部件来实验,得出相关的热延迟 ...

当时参加青少年创新大赛时现场验证温度系数补偿效果的作品及1V电压验证作品就是把三极管与肖特基贴在铜片的两对应面制作的,所以才能在几分钟内快速从30℃加温到100℃的过程中三极管电压保持在稳定的0.5V而仅发生0.1~0.2mV的波动。因为发明人及家长都不具备电子专业知识,对温度系数与噪声电压的验证也已算基本完成,再进一步已经不具备相关知识与经济基础了。剩下的就看有没有厂家及专业研究机构对这样的新型电压基准设计方案感兴趣了。搜索近几年的电压基准专利也有不少,还多数是大学及研究所申请的,但我们现在想找个权威机构验证、评定一下这个新型电压基准验证作品的噪声大致水平都这么难,这真出乎意外。
1V基准验证作品.jpg
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-3-16 20:26 编辑

这个1V基准的肖特基、三极管外面再盖上保温海绵,并焊铜皮包裹起来。三极管、肖特基用导热硅胶胶在铜片上,用了特氟龙导线连接,便于做加温实验。
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-3-16 21:51 编辑
longshort 发表于 2019-3-16 14:26
正负20%的误差,您自己也可以判别。这里有国家计量所的直流电压副基准的一般水准数据,可资对照:http:// ...

我的意思是专业机构要判断这种验证作品的噪声水平,只需要用简单的方法大致测量一下就应该可以了,根本没必要花大成本做统计测量。因为即使有20%的误差,把本身0.2uV的噪声水平测成0.24uV,也不会影响这种方法具有极低噪声水平的结论,您说对吗?毕竟,换成另一种参数的肖特基和三极管,也就会有不同水平的噪声,测那么准也没必要。至少,要达到0.2~0.4uVp-p水平没什么难度,专业厂家要把它做得更低也肯定能达到。这种基准的温度系数要达到5ppM以下在专业生产时也没什么难度。如此指标的优越性在现有电压基准芯片中还是很明显的,其主要缺点就是温度适宜范围要窄一些,然而毕竟绝大多数高精度极低噪声电压基准芯片的使用温度一般在85℃以下。
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 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-3-17 21:59 编辑

想到这种新型温度补偿方法其实并不需要多少专业知识,只是没往这方面想而已。发明人初次在网上看到电压电流的公式时感到非常的意外,PN结电压居然会取决于反向电流这么一个似乎与正向电压不相关的参数!
I=Is(expV/VT  -1)     简化后为:
V=ln(I/Is)* VT
而Is是对温度十分敏感,随温度升高而呈指数增长的,是PN结电压温度系数的主要原因,后来猜想如果公式中的I用另一个大得多的反向电流m* Is代替,m为一个常数,那么因Is的变化引起的温度系数变化的因素将被抵消,电压V的温度系数将大为降低。
V=ln(m* Is/Is)* VT
= lnm * VT
因为肖特基的反向电流比三极管PN结的反向电流大得多,最后选择用肖特基的反向电流做为PN结三极管的正向供电电流:I=m* Is,其中m就是肖特基的反向电流与三极管PN结的反向电流之比。
于是买了很多种肖特基和三极管,实验中发现,大体的规律是:同样的正向电流下,三极管与肖特基的正向压降差越大,组合后的电压温度系数越正。最后的实验结果是两者参数合适后,电压温度系数比按公式猜测的结果更好。因为V=I lnm * VT中,VT是正比于绝对温度的,有正温度系数。而实验证实,V=l lnm * VT中的m刚好是负温度系数的,在肖特基与PN结参数配合时,电压温度系数在大范围内可以达到极低的水平(5ppm以下)。而低噪声的优点是由三极管PN结与肖特基二极管都具有极低噪声的优点决定的。

公式推导与实验证实,组合后的PN结电压
V= lnm * VT的值基本就是肖特基与三极管PN结在合适的相同小电流下的压降差。
也就是说,如果您用普通万用表二极管档测得三极管PN 结压降是0.65V,肖特基压降是0.15V,那么将这个肖特基反向与PN结串联,通以合适的较低的如1V电压,那么PN结上的电压就是0.65-0.15=0.5V左右。并且稳压性能比串联电阻时还要稳好几倍(如果进行仿真,会显示电压完全稳定,与实验不符),电压温度系数也得到大幅补偿。如果温度系数太负,只要挑选压降差更大的,也可以多并联肖特基(也就相当于加大压降差)。太正了,可增大PN结的面积(可并联三极管,或挑选压降差小一点的组合,另外与材料、工艺也有一定关系)就是这么简单而有效的方案。


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发表于 4 天前 | 显示全部楼层
可以考虑用贴片三极管、肖特基二极管,焊接在铝基板PCB上,贴片器件体积小,热容也小,铝基板又有良好的导热能力,可以更好的均温,估计是仅次于厚膜电路的法子了,能更好的验证此理论。
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 楼主| 发表于 4 天前 | 显示全部楼层
sea123 发表于 2019-3-17 07:41
可以考虑用贴片三极管、肖特基二极管,焊接在铝基板PCB上,贴片器件体积小,热容也小,铝基板又有良好的导 ...

谢谢热心的指点。作为不具备专业知识的个人,对所发明的新型电压基准的电压温度系数与噪声验证走到这一步已经是尽力了,再进一步已经没有更多的精力、能力与意义。学习也越来越紧张,对于下一届的青少年创新大赛还要不要参加也已经很犹豫了。下一届即使能进入到高一级的参赛,也会因为高考的临近而力不从心。何况没有专业机构的认可也照样会很快被淘汰。
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