Долговременная стабильность характеристик ИОН – многолетняя точность системы

28 июня

учёт ресурсовмедицинаответственные применениялабораторные приборыуниверсальное применениеMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемыАСКУЭАЦП/ЦАП

Бонни Бейкер (Maxim Integrated)

При работе датчика в суровых условиях в системах измерения газа, масла, давления или температуры источники опорного напряжения (ИОН) должны соответствовать строгим спецификациям и поддерживать абсолютный уровень напряжения для всех измерений. В статье рассматриваются ИОН производства Maxim Integrated (в 2021 году компания вошла в состав Analog Devices) в герметичном керамическом корпусе, обладающие высокой устойчивостью к влажности и стабильностью напряжения.

В XXI веке гаджеты меняются ежегодно. Обычно они доживают до следующий версии, что большинством потребителей считается приемлемым. Однако существует множество устройств, требующих высокой точности работы в течение гораздо более длительного периода времени. Быстрая замена таких устройств обычно нецелесообразна, а во многих случаях невозможна.

В измерительных системах, где датчики работают в суровых условиях, ключевым элементом является источник опорного напряжения (ИОН). Задача такого источника состоит в том, чтобы поддерживать абсолютное опорное напряжение для всех измерений и вычислений. При эксплуатации систем в экстремальных условиях это может вызвать трудности (рисунок 1).

Рис. 1. Высокогорная метеостанция

Рис. 1. Высокогорная метеостанция

В данной статье рассматривается влияние относительной влажности на стабильность напряжения ИОН и предлагается решение, при котором это влияние несущественно.

Источник опорного напряжения

По сути, точность системы зависит от ИОН. Например, АЦП используют опорные напряжения для получения результата, при этом значение опорного напряжения определяет выходное цифровое значение (рисунок 2).

Рис. 2. Схемы преобразования сигнала с помощью АЦП последовательного приближения (а) и сигма-дельта АЦП (b) требуют установки опорного напряжения

Рис. 2. Схемы преобразования сигнала с помощью АЦП последовательного приближения (а) и сигма-дельта АЦП (b) требуют установки опорного напряжения

Слева на рисунке 2 обозначены несколько наиболее популярных датчиков. Сигналы с них могут проходить по схеме А с АЦП последовательного приближения или по схеме В с сигма-дельта АЦП. Оба варианта требуют наличия прецизионного источника опорного напряжения для получения результата.

В обеих схемах младший значащий разряд АЦП (LSB) определяется следующей формулой:

$$LSB=\frac{V_{ref}}{2^N},$$

где Vref – опорное напряжение,

N – разрядность АЦП.

Из формулы видно, что значение опорного напряжения оказывает непосредственное влияние на точность преобразования.

Влияние влажности и дрейфа во времени

В системах с полевыми датчиками электроника может со временем испытывать большие колебания влажности. Например, относительная влажность в базовом лагере на Эвересте может варьироваться от 98% до 20% в течение года, то есть разница достигает 78%. При использовании систем в таких средах важно гарантировать точность оборудования. Для этого необходимо использовать стабильный ИОН. Стабильность опорного напряжения позволяет предсказать стабильность системы измерения с течением времени.

Исполнение ИОН в пластиковом корпусе

Приведенные ниже результаты испытаний воздействия влажности в тестовой камере демонстрируют стабильность напряжений двух групп ИОН.

На рисунке 3 показаны условия испытаний. Серой линией обозначена относительно стабильная температура на уровне примерно +26,5 °C, синей линией обозначены изменения относительной влажности с течением времени. На отметке в 600 часов виден скачок влажности в камере с 40% до 28%.

Рис. 3. Колебания относительной влажности в тестовой камере

Рис. 3. Колебания относительной влажности в тестовой камере

На рисунке 4 показано отклонение точности первой группы тестируемых источников опорного напряжения. Устойчивость к влажности – это степень изменения точности опорного напряжения при изменении относительной влажности. Ее можно количественно оценить как отношение разницы значений точности напряжения к разнице значений влажности.

Рис. 4. Результаты 16 испытаний ИОН MAX6070 в пластиковом корпусе SOT23

Рис. 4. Результаты 16 испытаний ИОН MAX6070 в пластиковом корпусе SOT23

Как только относительная влажность возвращается к 45%, точность опорного напряжения соответствует изначальной ошибке. Общий дрейф напряжения за 1300 часов составляет примерно 75 ppm. За этот период стабильность источника составляет примерно 75 ppm/1300 часов = 5,8% (ppm/час). При таких условиях 24-битный АЦП с опорным напряжением 2,5 В будет иметь погрешность во время колебания влажности примерно 109 LSB.

Приведенные результаты испытания показывают влияние изменения относительной влажности на 17%. У подножия Эвереста годовая разница относительной влажности составляет 78%, что приведет к ошибке измерений в ~500 LSB.

Исполнение ИОН в керамическом корпусе

На рисунке 5 показано изменение точности второй группы ИОН в герметичном керамическом корпусе, испытанной в тех же условиях.

Рис. 5. Результаты 16 испытаний ИОН MAX6079 в керамическом корпусе

Рис. 5. Результаты 16 испытаний ИОН MAX6079 в керамическом корпусе

Результаты испытаний показывают небольшое отклонение точности в период времени от 600 до 700 часов. Для этой тестовой группы чувствительность к влажности чрезвычайно мала, и для каждого изменения относительной влажности на 1% влияние на точность опорного напряжения будет незначительным.

Как только относительная влажность возвращается к 45%, точность опорного напряжения остается неизменной. За все 1300 часов практически нет изменений. Такой низкий уровень дрейфа напряжения требуют различные системы, которым необходимо проработать более 10-15 лет.

Высокая точность источников в керамическом корпусе

ИОН в герметичном керамическом корпусе обеспечивает высокую точность, подходящую для систем с полевыми датчиками. Высокая точность определяется долговременной стабильностью и чрезвычайно низкой чувствительностью к влажности.

Рис. 6. Источник опорного напряжения (U5) в керамическом корпусе

Рис. 6. Источник опорного напряжения (U5) в керамическом корпусе

Керамический ИОН (рисунок 6) обеспечивает надежность даже при длительном воздействии относительной влажности. Герметичность керамического корпуса создает идеальный экран для защиты от влаги с отличным температурным коэффициентом (6 ppm/°C, 25 ppm/°C), низким уровнем шума (5 мкВRMS, 64 мкВRMS), высокой точностью (±0,04%, 0,1%) и низким током потребления (200 мкА, ~70 мкА).

Заключение

Применение полевых датчиков требует высокой точности в течение длительного времени. Системы измерения давления и температуры обычно работают в средах, где необходимы надежные ИОН для обеспечения постоянства измерений.

ИОН в таких системах должны соответствовать строгим спецификациям и поддерживать абсолютный уровень напряжения для всех измерений и вычислений. Испытания доказывают, что герметичные керамические корпуса обладают превосходной устойчивостью к влажности и обеспечивают стабильность напряжения. Эти параметры делают их отличным выбором для применений, требующих высокой точности в течение длительного периода времени.

Оригинал статьи

                                               Перевела Софья Букреева по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX6070BAUT30+T (MAX)
MAX6070BAUT33+T (MAX)
MAX6070AAUT33+T (MAX)
MAX6070BAUT21+T (MAX)
MAX6070BAUT50+T (MAX)
MAX6070AAUT21+T (MAX)
MAX6070AAUT30+T (MAX)
MAX6070AAUT33/V+T (MAX)
MAX6070AAUT50+T (MAX)
MAX6070AAUT50/V+T (MAX)
MAX6079ALA25+T (MAX)
MAX6079ALA25+ (MAX)
MAX6079EVKIT# (MAX)