Spannings referentie

Zo maar wat experimenten met spanningsreferenties. De sport is om het zo stabiel mogelijk te krijgen. Dat valt niet mee. Het begint al met de voeding. Deze moet zo stabiel mogelijk. Als eerste begin heb ik een gewone voeding gemaakt met een 7X12 koppel. De trafo is 2x15VAC.

De spanningsreferenties zijn gewone low cost TL431’s. Niet echt bedoeld om tot op de uV stabiel te zijn maar wel geschikt om te kijken wat er allemaal gebeurd.
Grootste probleem blijken de weerstanden te zijn en dan met name de instelpotmeters. De speling is rond de uV enorm. Een keer op het kastje kloppen en de boel verspringt zo tientallen uV’s. Het referentie deel is ingebouwd in een kastje van PCB met doorvoer condensators, de weerstanden zijn metaalfilm, maar zo uit mijn bakjes gepakt. Het beste koop je preciesie weerstanden (o,01%) met een zo laag mogelijk tempco. Het beste zijn draadgewonden weerstanden. Niet die keramische maar van die platte plaatjes waar weerstandsdraad opgewikkeld is. Zie er maar aan te komen.

Eerste experiment (weerstandswaarden in terugkoppellus sommeerversterkerzijn willekeurig)

De bedoeling is een referentie van 1.1V. Dat is een handige waarde voor aan een Kelvin Varley deler. Na een uurtje aanstaan en afgesloten, maar met een standaard meetsnoer, dus niet mijn afgeschermde guarded kabel hier een meting over ongeveer 10 seconden. De drift is 4,71 uV. Niet slecht gezien de standaard componenten. de OP07 heeft al snel 3uV drift dus om daar onder te komen kan bijna niet met deze opamp. Ik heb er ook een gemaakt met een TL084. Hier had ik 40 tot 60uV drift.

Na een uurtje aanstaan maar nog niet afgeregeld op 1.1V

Het eerste probeersel met LT084

Deze is al beter met een paar OP07 opamps

De versie hierboven kreeg ik niet beter dan die 4,7uV. Na wat verandereingen werd dat nog iets slechter maar toen de boel weer een nacht en een dag had aan gestaan stabiliseerde hij weer naar het oude nivo. Maar met de voeding open en bloot en een paar stukken draad er zo naar toe en zonder afgeschermde meetsnoeren kan het ook niet beter. Als ik het doosje dicht draaide met moertjes op de tapeinde kon ik door de boel losser of strakker te draaien de spanning regelen. Dat was natuurlijk maar tijdelijk maar geeft wel aan wat mechanische spanning in de opbouw doet.

Daarna een derde variant. Deze op 1V, met de meest kritieke weerstanden uitgevoerd als 0,01% smd , op pcb en met twee opa277 ook in SMD. Deze opamp heeft nog minder drift.

Het schema. De vrefs zijn hier alleen vanwege de footprint gekozen

pcb layout,

Deze staat nu een uurtje aan. Hij is beter regelbaar dan de andere. Alleen duurt het nog

na een uurtje aanstaan maar iets te hoog gezet omdat hij nog zakt

wel even voor de lange termijn drift echt stabiel wordt. Hij heeft nu, on-ingespeeld, minder dan 1uV korte termijn drift. Nu een uur later is de hij in het totaal 2uV gezakt. (Edit: Na een week bleek hij mooi stabiel te blijven maar ik heb hem op 1,1V gezet)

Vref versie 3

De test opstelling met open box (en let op de witte meter er boven 🙂 )

Dit is een versie met een ADR421 en deze is 2,5V. De voeding is geschikt om op een accu of desnoods tijdelijk op een 9V batterij te draaien. Het opamp deel is een ontwerp van mijn goede vriend en analoge leermeester René.

Een 2,5V variant met DC DC converter

Close up

De voeding kan alles tussen ongeveer 15V en 6V zijn. De DC-DC omzetter vooraf gegaan door een low drop 5V regelaar verzorgen de + en – 12V voor de OPA277. Niet de meest schone voeding maar een portable calibratortje is nooit weg en de prestaties zijn ondanks dat best goed. Na tien minuten was de drift al onder de 5uV. De afregeling is ongeveer 10 mV met de linker en 10 uV met de rechter instelpot.

Het schema.

De +/- 12V voeding met ingebouwde (ondertussen weer) 1.1V referentie

Ik had hier eerst een 10V van gemaakt maar de weerstanden (op de foto zichtbaar in de busjes gestoken vertoonde een enorme lange termijn drift tgv temperatuur. Naarmate de voeding opwarmde steeg de Vref spanning. Daarna weer terug naar 1,1V gebouwd en de hele print gereinigd met TRI. Nu blijft hij weer binnen 1uV stabiel.

Weerstanden zijn dus erg belangrijk. Dit zijn de beste:

Fluke draadgewonden precisie weerstand

Okt 2011: De jacht op de microVolt gaat gewoon door. De volgende is gebassert op een LT1027B 5V referentie. De opamp is een LF356 welke een BF256C FET en een tor als regel elementen gebruikt om 10,000.000 V te krijgen . Het geheel is dead bug gebouwd om minder last te hebben van mechanische spanning en zit boven op een keramisch verwarmings element. Deze is eigenlijk bedoeld voor 230V en levert dan meer dan 300W. Ik heb er 18VDC opstaan en dan heeft hij weinig werk om de oven op de gewenste temperatuur te houden. Op dit moment 34 graden maar misschien dat ik dat nog wat hoger zet omdat het zomers daar te dicht bij komt. De 0-10Hz ruis is 15 uVtt, tot 10KHz is het 15uVtt. Er zit ook een sens aansluiting op zodat de kabels naar de multimeter of KV devider geen invloed hebben.

De behuizing, een oude HP accubak met temp unit erop

De oven met element wat met thermische pasta het koper van de pcb verwarmd

Het PCB op zijn plaats

September 2012: We blijven bezig. Dit keer een 10V met LM399 als basis. Afgeregeld op 5V via 0,02% weerstanden. Gevolgd door een 2x compound versterker. Een LTC1052 chopper amp met OPA277 als volger binnen de 2x feedback lus van de chopper. De output is 10,000.000V. Dat “klokje” voorop is een 10 slag potmeter. Hiermee kan ik hem precies op 10V draaien. Nu heeft hij nog een paar 100 uV bereik maar als hij een 1000 uur heeft aan gestaan dan breng ik dat bereik terug naar iets van +/- 50uV.

De voeding is op basis van een uA723 precisie regelaar met bd139 als bypass transistor. Er is een extra boost convertertje om van 5-15V 25V te maken waar de 723 mee gevoed kan worden mbv batterijen. De ICs staan in losse gedraaide IC voet busjes om lekkage te voorkomen via het kunstof en om niet aan de ICs te hoeven solderen (dat veroorzaakt thermische en mechanische stress.