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Untersuchungen zum Einsatz von Bandgap-Referenzen als Spannungsnormal

09.12.2019

Die hohe Präzision elektrischer Gleichstrommesstechnik beruht auf der Rückführung der Messgrößen auf Quantennormale, die typischerweise in Nationalen Metrologieinstituten wie der PTB eingesetzt werden. Bei der Kalibrierung von Spannungsnormalen ist die Unsicherheit der Weitergabe limitiert durch das inhärente Rauschen der als Transfernormale genutzten Zener-Dioden, deren Funktion auf einem Lawineneffekt in einem p-n-Übergang basiert. Dieses Rauschen liegt in der Größenordnung von einigen 100 nV. In der PTB wurden Untersuchungen durchgeführt, Referenzspannungen durch Ausnutzung alternativer Effekte zu erzeugen.

 

 

Ein möglicher Kandidat ist die sogenannte Bandgap-Diode. Hierbei wird ein p-n-Übergang in Durchlassrichtung betrieben. Durch Wahl des Arbeitspunktes kann man Spannungswerte in der Größenordnung 1 V erreichen. Dieser Betrieb ist im Vergleich zur in Sperrrichtung betriebenen Zenerdiode rauschärmer. Zur Überprüfung wurde eine Referenzschaltung mit einer SMD-Bandgap-Diode aufgebaut und das Rauschen der Schaltung in Kompensation mit einem Kalibrator gemessen. Dabei ergab sich ein RMS-Rauschen von ca. 3 µV, was um einen Faktor zehn schlechter ist als das entsprechende Rauschen einer Zener-Referenz. Das hohe Rauschen der kommerziellen Bandgap-Referenz wird vermutlich durch die hohe Integrationsdichte des SMD-Bauteils verursacht. Deshalb wurde eine diskrete Schaltung mit Transistoren aufgebaut. Hier wurde besonderer Wert auf eine gleichmäßige Temperaturverteilung gelegt. Mit dieser Schaltung konnte ein RMS-Rauschniveau von 100 nV erreicht werden (Bild 1). Durch die hohe Temperaturempfindlichkeit des p-n-Übergangs ist jedoch die zeitliche Stabilität noch nicht ausreichend. Es wird darauf hingearbeitet, durch einen geeigneten Aufbau die Temperaturstabilität weiter zu verbessern, sodass damit die Basis für ein zukünftiges Spannungsnormal geschaffen werden kann

 

Vergleich Rauschverhalten-Plot Allan-Abweichung über Messzeit 

Bild 1: Vergleich des Rauschverhaltens der Ausgangsspannung einer SMD Bandgap-Diode und einer diskreten Transistorschaltung, dargestellt als Plots der Allan-Abweichung über der Messzeit τ.

 

 

Schaltplan Diskrete Transitorschaltung

Bild 2: Schaltplan der diskreten Transistorschaltung.