[論文レビュー] Long term characterization of voltage references

Hubert Halloin, P. Prat+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2013

Advanced Electrical Measurement Techniques参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、eLISA宇宙重力波ミッションに適した長期間安定性を評価するため、8種類の市販電圧リファレンスを0.1 mHzまで分析し、ノイズおよび温度係数を重点的に評価した。1 ppm/√Hzの要件を0.1 mHzまで満たすデバイスは存在しなかったが、MAX6126AASA50、AD587UQ、LT1021-BCN8-5、LTC6655BHMは最も近い性能を示し、特にLTC6655はバンドギャップベースの新規候補として有望である。

ABSTRACT

We report here the characterization (temperature coefficients and noise level) of selected voltage references in the frequency range from 10^(-5) to 10 Hz. The goal of this work is to update previous studies, with a characterization at lower frequencies, and find voltage references that may be suitable for the space-based interferometry mission eLISA. The requirements of relative output stability of 1 ppm/$\sqrt{ ext{Hz}}$ down to 0.1 mHz were not met by any of the tested devices, but 4 references approaches the objective : the AD587UQ, the MAX6126AASA50, the LT1021-BCN8-5 and the LT6655BHM. While the first three were already identified as potential devices in previous studies, the later is a new promising candidate using a different technology (bandgap).

研究の動機と目的

• eLISAの超安定位相測定に不可欠な0.1 mHz～10 Hz周波数範囲における市販電圧リファレンスの長期安定性を評価すること。
• 0.1 mHzまで1 ppm/√Hzの要件に近づく電圧リファレンスを同定すること。
• 差動測定技術を用いて、温度変動が電圧リファレンスの安定性に与える影響を評価すること。
• 埋め込みザネル型およびXFET型とは対照的に、新技術（バンドギャップリファレンスなど）の性能を評価すること。

提案手法

• 同一の2つの電圧リファレンスをデュアル構成で使用し、差動出力を測定することで、内部ノイズを分離（各出力が全ノイズの半分を寄与すると仮定）。
• 5,000秒間、6°Cのピークtoピークの温度変動を示す温度制御バスタンクを用いて、温度誘導ドリフトと温度係数を評価した。
• 低ノイズアンプと高分解能デジタイザを用いて電圧ノイズを測定し、周波数領域での解析にパワー スペクトル密度（PSD）推定を適用した。
• 直接測定した温度と差動電圧応答を比較することで、差動温度係数を算出した。
• 約55時間にわたる長時間測定を実施し、低周波数ノイズ特性と長期ドリフトを評価した。
• メーカー提供のデータ（温度ドリフト、ラインレギュレーション、ノイズ）をppm単位にスケーリングし、一貫性のある比較を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0.1 mHz未満で最も低い内部電圧ノイズを示す市販電圧リファレンスはどれか？ これはeLISAの1 ppm/√Hz要件に近づくか？
• RQ2 サブミリヘルツ周波数帯域で、温度変動が異なる電圧リファレンスタイプの出力安定性に与える影響は何か？
• RQ3 バンドギャップベースのリファレンス（LTC6655BHM）は、実証済みの埋め込みザネル型リファレンスを同等以上に超える性能を示せるか？
• RQ4 XFETベースのリファレンス（例：ADR445BRZ）は、深宇宙用途において深刻な低周波数ノイズを示すため、eLISAの厳しい要件を満たせないのか？
• RQ5 異なる電圧リファレンスの温度係数は、低周波数帯域における長期安定性およびノイズ性能とどのように相関しているか？

主な発見

• MAX6126AASA50は、全体として最も低いノイズと無視できる温度依存性を示し、0.1 mHz～10 Hz範囲でeLISA要件に最も適合した。
• バンドギャップベースのLTC6655BHMは、最良の埋め込みザネル型デバイス（例：AD587UQおよびLT1021-BCN8-5）と同等のノイズ性能を示し、有望な新規候補であることが立証された。
• 埋め込みザネル型のAD587UQおよびLT1021-BCN8-5は、わずかにeLISA要件を満たしており、AD587UQは0.1 mHzで高い温度係数のため限界に近づいていた。
• XFETベースのリファレンス（ADR445BRZおよびADR435BRZ）は顕著に高い低周波数ノイズを示し、PSDの急勾配を示したため、eLISAの厳しい要件には不適切であった。
• MAX6350を除く全テスト対象デバイスは10 mHz未満で1/fノイズ特性を示し、これは内在的な電子的ノイズを示している。一方、MAX6350はゆっくりとしたドリフトの可能性があるため、段階的勾配を示した。
• 0.1 mHzまで1 ppm/√Hzの要件を完全に満たすデバイスは1つも存在せず、最も近いデバイスでも0.1 mHzで2～5倍の不足であった。