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自制低频噪声Vpp可低于0.5uV的新型1V电压基准

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发表于 2019-1-20 21:04:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 pfcz 于 2019-1-20 22:43 编辑

    现有固态电压基准从原理上较常见的有稳压管补偿、带隙、场效应管这三类。一位高中生从PN结:I=Is(expV/VT  -1)的电压电流公式的启发下,发现了一种使PN结具有低温度系数的方法,因此可以直接利用PN结的电压作为电压基准。带隙基准是利用三极管中PN结本身的负温度系数与两不同电流密度的三极管之间形成ΔVbe的正温度系数进行相互补偿,从而获取低温度系数电压基准的;其正温度系数电压在电阻上放大后得到,但这种放大也同步放大了△Vbe的噪声与误差。所以直接利用PN结电压作为电压基准,相对于带隙基准在稳定性与噪声方面的优势是很明显的。
  直接利用PN结电压的这种新型电压基准温度系数比较容易就可以达到10ppm以下(0~85℃);通过调整,达到5ppm以下也不难。可以通过PN结等的组合构成各种电压的基准。1V基准是利用两个PN结的电压叠加而成的。1V的电压也刚好能利用三极管利用本身的电压对基准电压信号进行放大、反馈等处理。电路也很简单,形式类似与LTZ1000,类似的,对电阻的精度要求也比较低。
   发明人用该发明参加了一年一度的学生的青少年科技创新大赛,本以为可以一直县级、市级、省级、全国参赛下去,不过在市级比赛后,没有得到参加省级大赛的资格。
   在写前一篇“自制了一个直流电压抑制比0.2uV/10V的电压基准,请专家指教 http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=291522&extra=page%3D1,因为一直还没有用示波器测量过实际噪声,所以也就只说了1V基准验证作品的电压抑制比达到极高及低压差的测量数据,仅仅是根据分辨率为0.2uV的显示器可以稳定显示的情况,推测其噪声也应该是很低的。
   最近,通过学习“lymex”大师的“我也做个噪声测量仪”的帖子http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=159569&extra=page%3D1,根据其中的信号滤波及放大的的电路,也做了一个简单的放大1万倍的滤波放大电路,淘宝买了一个简易示波器,对自制1V验证基准作品进行了0.1~10Hz的噪声测量。


补充内容 (2019-3-11 00:03):
原理简要在24楼
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 楼主| 发表于 2019-1-20 21:07:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-1-20 21:44 编辑

0.1~10Hz测量输入端短路底噪约0.06到0.08uV,屏蔽工作没做好,线路布置也不专业,并且简陋,只是用洞洞板做的,很容易受附近的市电及其它信号干扰,所以示波器及1V作品都用旧手机电池供电。
测量底噪(20ms显示).jpg
测量底噪(1s显示).jpg
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 楼主| 发表于 2019-1-20 21:29:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-1-20 21:52 编辑

自制 1V作品测量结果约为0.4uV,折算成7V电压的话,0.4*√7=1.1uV,与LTZ1000的1.2uV相近,也算很不错了。因为制作缺少专业知识,放大反馈线路中也许存在震荡附加的噪声,所用元件也是比较普通的,所以如果专业公司生产的话,肯定可以比这个噪声数据好很多,使这种基准的噪声指标比现有固态电压基准都更低是很有可能的。
1V基准0.1~10Hz噪声(20ms显示)截图.jpg
1V基准0.1~10Hz噪声(20ms显示-2)截图.jpg
1V基准0.1~10Hz噪声截图.jpg
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 楼主| 发表于 2019-1-20 21:39:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-1-20 21:41 编辑

为了验证噪声测量端对信号是否真的放大了1万倍,在测量端串入1欧电阻,通过1兆欧分压后间断连接1.2V电池,这样1欧电阻上获得1.2uV的电压,结果示波器上得到附加12mV的突变,说明放大线路正常。
测量时间断附加1.2uV电压波形.jpg
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 楼主| 发表于 2019-1-20 22:23:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-1-20 22:39 编辑

对2N5087低噪声三极管在2.6mA电流时的低频噪声也进行了测试,与测量短路时底噪没看出区别,说明噪声极低。1V自制基准作品中的PN结常温下是微安极的电流,内阻较大,而这次做的测量噪声所用的运放电流噪声较大,选用了较低的检测电阻,700欧,是不能用这个噪声测量电路直接测量低电流下PN结本身的噪声的。要测量的话,需要选用低电流噪声的运放,采用大的输入电阻。本来也想采用“lymex”大师介绍的ADA4528的,但发现这种型号没有直插DIP8封装的,很小,怕焊接不好,就放弃了。不知有没有人测过2N5087bc极短接的PN结在uA级电流时(需用低噪声电阻供电)的0.1~10Hz低频噪声数据?
2.6mA时2N5087PN结结噪声截图.jpg
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发表于 2019-1-20 22:41:29 38hot手机频道 | 显示全部楼层
运放可以用转接板的。
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 楼主| 发表于 2019-1-20 22:49:38 | 显示全部楼层
laislabo 发表于 2019-1-20 22:41
运放可以用转接板的。

是的,不过那个引脚那么小,不知自己能不能焊好,从没焊过。不过,如果就测量电压基准的话,因为内阻低,用现在这个似乎底噪更低一些。
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 楼主| 发表于 2019-1-20 22:52:47 | 显示全部楼层
laislabo 发表于 2019-1-20 22:41
运放可以用转接板的。

另外,淘宝这些元件假的很多,好几次买到假的了。那贴片的也不适合制作之前先测试一下,所以尽量选择直插的
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发表于 2019-1-21 07:19:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 longshort 于 2019-1-21 07:34 编辑

0.2uV与1V之比,等于2e-7。这个水平是比较平常的,我的转移基准中的1.0186V和1V的短稳,分别达到1.733e-7和1.786e-7,别人的可能会更好。7V和10V基准也大致上在这一水平层面,因此您的这个基准并未显示突出性能。
您的测试结果是否使用了统计过程?任一显示的瞬间数值只是一个单一的样本,不能作数的。建议您提供样本数量、间隔时间、环境温度等等必要的外部条件,这样别人才好判别。

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 楼主| 发表于 2019-1-21 08:47:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 pfcz 于 2019-1-21 12:17 编辑

谢谢大师的专业点评与指导。 在测试中,使用50秒/格 进行显示,在没有干扰下,噪声基本稳定在这个水平
由于此自制基准不是平时所指的利用专业公司制作的基准芯片如LTZ1000、LM399这类基准芯片加上自制的放大、反馈电路制成的电压基准,而是用几个本身并非用于基准的普通分立元件组成新型的温度补偿经三极管数级放大、反馈形成的新型电压基准。相当于其中的电压基准芯片也就是用普通分立元件自制的。由于制作并非专业,也不是目的,只是为了验证这种原理而已。’所以这种原理所能达到的噪声水平在专业生产下应该会远远高于这个验证作品的水平,希望能有专业厂家专业生产出这种电压基准芯片,以进一步验证。不知国内有哪些机构对电压基准比较有研究及哪些公司生产电压基准芯片,希望得到专业人士指点。
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