[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究针对八种市售基准电压源在0.1 mHz至10 Hz频率范围内的长期稳定性进行了表征，重点关注噪声和温度系数，以评估其在eLISA空间引力波任务中的适用性。尽管无一设备在0.1 mHz下完全满足1 ppm/√Hz的要求，但MAX6126AASA50、AD587UQ、LT1021-BCN8-5和LTC6655BHM表现最接近，其中LTC6655成为一种有前景的新型带隙基准候选。

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).

研究动机与目标

• 评估商用基准电压源在0.1 mHz至10 Hz频率范围内的长期稳定性，该范围对eLISA的超稳定相位测量至关重要。
• 识别接近eLISA严格要求（0.1 mHz下1 ppm/√Hz）的基准电压源。
• 利用差分测量技术评估温度波动对基准电压源稳定性的影响。
• 对比评估新型技术（如带隙基准）与成熟埋入齐纳和XFET型器件的性能。

提出的方法

• 采用双套相同基准电压源配置，通过测量差分输出来隔离固有噪声，假设每台设备贡献总噪声功率的一半。
• 使用温度控制浴槽以6°C峰峰值周期循环5,000秒，评估温度引起的漂移并提取温度系数。
• 利用低噪声放大器和高分辨率数字化仪测量电压噪声，通过功率谱密度（PSD）估计在频域分析数据。
• 通过对比直接温度测量值与差分电压响应，计算差分温度系数。
• 进行约55小时的长期测量，以评估低频噪声特性和长期漂移行为。
• 将制造商提供的数据（温度漂移、线性调节、噪声）重新标定为ppm单位，以实现一致比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些市售基准电压源在0.1 mHz以下表现出最低的固有电压噪声，接近eLISA的1 ppm/√Hz要求？
• RQ2 温度波动在亚mHz频率下如何影响不同类型基准电压源的输出稳定性？
• RQ3 LTC6655BHM（一种带隙基准）是否能在超低噪声环境中达到或超越成熟埋入齐纳基准的性能？
• RQ4 XFET型基准（如ADR445BRZ）在低频段是否表现出过高的噪声，从而限制其在深空任务中的应用？
• RQ5 不同类型基准电压源的温度系数在低频下如何与长期稳定性和噪声性能相关联？

主要发现

• MAX6126AASA50表现出最低的整体噪声和可忽略的温度依赖性，使其在0.1 mHz至10 Hz范围内与eLISA要求最为匹配。
• LTC6655BHM（带隙基准）的噪声性能与最佳埋入齐纳器件（如AD587UQ和LT1021-BCN8-5）相当，确立其作为有前景的新候选者。
• AD587UQ和LT1021-BCN8-5均为埋入齐纳基准，性能仅勉强满足eLISA要求，其中AD587UQ在0.1 mHz处接近极限，因温度系数过高。
• XFET型基准（ADR445BRZ和ADR435BRZ）表现出显著更高的低频噪声，PSD曲线斜率陡峭，因此不适合eLISA的严格需求。
• 除MAX6350外，所有测试器件在10 mHz以下均表现出1/f噪声行为，表明存在本征电子噪声；而MAX6350表现出类似阶跃的斜率，可能源于缓慢漂移。
• 无一测试器件在0.1 mHz下完全满足eLISA要求的1 ppm/√Hz，性能最接近的器件在0.1 mHz处仍相差2至5倍。