[논문 리뷰] Long term characterization of voltage references

Hubert Halloin, P. Prat외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 18.

Advanced Electrical Measurement Techniques참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 eLISA 우주 기반 중력파 임무에 적합성을 평가하기 위해 장기 안정성까지 0.1 mHz까지 분석한 8종의 표준형 전압 기준 장치를 특성화한다. 소음과 온도 계수를 중심으로 평가한다. 0.1 mHz까지 1 ppm/√Hz 요구 사항을 완전히 충족하는 장치는 없지만, MAX6126AASA50, AD587UQ, LT1021-BCN8-5, 및 LTC6655BHM이 가장 높은 성능을 보였으며, 특히 LTC6655는 새로운 밴드갭 기반 후보로 유망하다.

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).

연구 동기 및 목표

• eLISA의 초고정성 위상 측정에 필수적인 0.1 mHz에서 10 Hz 주파수 범위 내에서 상용 전압 기준 장치의 장기 안정성을 평가하기 위해.
• 0.1 mHz까지 1 ppm/√Hz 요구 사항에 가까운 전압 기준 장치를 특정하기 위해.
• 차등 측정 기법을 사용하여 온도 변동이 전압 기준 장치 안정성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존의 묻힌 저너 및 XFET 유형과 비교하여, 신규 기술(예: 밴드갭 기준)의 성능을 평가하기 위해.

제안 방법

• 각 장치가 총 소음 전력의 절반을 기여한다고 가정하여, 동일한 두 전압 기준 장치를 사용해 차등 출력을 측정함으로써 내재된 소음을 분리함.
• 5,000초 동안 6°C 피크-피크로 온도 제어 용액을 순환시켜 온도 유도 드리프트를 평가하고 온도 계수를 추출함.
• 저소음 증폭기와 고해상도 디지타이저를 사용해 전압 소음을 측정하고, 주파수 도메인에서 전력 스펙트럼 밀도(PSD) 추정을 통해 데이터를 분석함.
• 직접 측정한 온도와 차등 전압 반응을 비교하여 차등 온도 계수를 계산함.
• 약 55시간 동안 장기 측정을 수행하여 저주파수 소음 거동과 장기 드리프트를 평가함.
• 제조사가 제공한 데이터(온도 드리프트, 라인 정규화, 소음)를 일관된 비교를 위해 ppm 단위로 재스케일링함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.1 mHz 이하에서 상용으로 유통되는 전압 기준 장치 중에서 가장 낮은 내재 소음 성능를 보이는 것은 무엇이며, eLISA의 1 ppm/√Hz 요구 사항에 가장 가까운가?
• RQ2 서브-밀리헤르츠 주파수에서 온도 변동이 다양한 전압 기준 장치의 출력 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 밴드갭 기반 기준인 LTC6655BHM은 기존의 묻힌 저너 기준 장치의 성능을 따라하거나 초월할 수 있는가?
• RQ4 XFET 기반 기준 장치(예: ADR445BRZ)는 저주파수 소음이 과도하게 높아 깊은 우주 임무에서의 사용이 제한되는가?
• RQ5 다양한 전압 기준 장치의 온도 계수는 저주파수에서의 장기 안정성과 소음 성능과 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• MAX6126AASA50는 가장 낮은 전체 소음과 극히 낮은 온도 의존성을 보이며, 0.1 mHz에서 10 Hz 범위 전반에서 eLISA 요구 사항과 가장 부합하는 성능을 보였다.
• 밴드갭 기반 기준인 LTC6655BHM은 최고의 묻힌 저너 장치들(예: AD587UQ 및 LT1021-BCN8-5)과 유사한 소음 성능을 보였으며, 새로운 유망한 후보로 자리매김했다.
• 모두 묻힌 저너 기준인 AD587UQ와 LT1021-BCN8-5는 eLISA 요구 사항에 약간의 여유로움을 보였지만, 0.1 mHz에서 고온도 계수로 한계에 도달했다.
• XFET 기반 기준 장치들(ADR445BRZ 및 ADR435BRZ)은 저주파수 소음이著명하게 높았으며, PSD 기울기가 급격히 기울어져 eLISA의 엄격한 요구 사항을 충족하지 못했다.
• MAX6350를 제외한 모든 테스트 장치는 10 mHz 이하에서 1/f 소음 행동을 보였으며, 이는 내재된 전자 소음임을 시사했고, MAX6350는 느린 드리프트로 인해 단계적 기울기를 보였다.
• 테스트한 장치 중 어느 것도 0.1 mHz까지 1 ppm/√Hz 요구 사항을 완전히 충족하지 못했으며, 가장 가까운 장치들도 0.1 mHz에서 2~5배 정도 부족한 성능을 보였다.