Auswirkungen von mechanischem Stress auf Spannungreferenzen

Sinn und Zweck war es für ein kleines älteres billiges Tischmultimeter eine Ersatz Referenzspannung zu finden. Das Multimeter wird oft an unterschiedlichen Orten benutzt, mal in kalter mal in warmer Umgebung. Da die dort verbaute Referenz jedoch einen hohen Temperaturkoeffizienten hat sollte eine Lösung gefunden werden auf Basis einer mordernen Halbleiterreferenz, die nach Datenblatt weniger driftet als die alte. Es war ein Wunsch, dass das  DMM danach ein wenig stabiler misst als vorher.

Das Referenzspannungen auf mechnischen Stress reagieren ist bekannt und nichts neues, bei der kleinen Leiterplatte, die ich erstellt hatte bot es sich jedenfalls mal an sich diesen Effekt etwas näher anzuschauen. Für die Anwendung im kleinen Tisch DMM hat dies aber keine relevante Bedeutung, da das Messgerät immer in Ruhe liegt.

Im folgenden soll experimentell gezeigt werden wie sich eine geringe mechanische Verformung eines IC und der Leiterplatte auf die Ausgangsspannung einer Referenzspannung auswirkt. Als Versuchsobjekt dient eine 10V Spannungsreferenz, die auf einer einfachen einseitigen Leiterplatte montiert ist. Die Referenz wird versorgt aus einem Spannungsregler aus einem kleinen Netzteil.

Messaufbau Das Bild zeigt den Messaufbau bestehend aus Netzteil B300D, dem betriebswarmen Multimeter 34401A als Kontrollgerät, dem 10Hz-100kHz Rauschanzeiger und einem Oszilloskopsystem  7704A mit 7A26, 7B80, 7M13 Einschüben bestückt.


PSSR Power Supply Rejection Ratio

die Power Supply Rejection Ratio ist ein Maß für die Unterdrückung des Durchgriffs einer Schwankung der Eingangsspannung auf den Ausgang.

Betrieb der Referenz mit Nennspannung Betrieb mit niedriger Spannung
Die Nennspannung des Systems beträgt 16.5V als Eingangsspannung für einen Pre-Spannungsregler der der Referenz vorgeschaltet ist. Dieser Regler liefert als Ausgangsspannung etwa 15V mit der hier die Spannungsreferenz versorgt wurde. Das DMM misst hier 9.999'26 Volt Ausgangsspannung an der Referenz im Leerlaufbetrieb bei 23°C Raumtempteratur. Im rechten Bild beträgt die Eingangsspannung an der Referenz nur noch Größenordnung 11 Volt (den Verlust am Pre-Spannungsregler vernachlässigt), die Ausgangsspannung bleibt unverändert.
Die PSRR Power Supply Rejection Ratio (Unterdrückung von Betriebsspannungsschwankungen) dieser Referenz darf für DC Größen wohl wahrhaftig als exzellent bezeichnet werden, selbst bei einem Hub von ca. 4 Volt bleibt das letzte Bit des DMM stabil stehen, die Messung bestätigt hier eine PSRR von < 1 ppm pro 4 Volt.


Rauschmessung



zeigt die Ausgangsspannung der Referenz gemessem mit einem Bandpaßfilter 10Hz bis 100kHz. Vertikalauflösung 50µV/DIV. wie das linke Bild, jedoch mit Verwendung eines 7904 Oszilloskop, das als Option über einen blauen P11 Phoshor verfügt
der grüne Phospor P31 erreicht am Auge eine höhere Intensität, das Auge empfindet ihn ein wenig intensiver als der blaue P11, der jedoch besser fotographiert werden kann als der Grüne. Beim Arbeiten merkt man kaum Unterschiede zwischen beiden, es ist eine Frage des persönlichen Geschmacks. Allgemein hat die benutzte Kamera öfters Probleme damit die Farben exakt wiederzugeben als auch die Helligkeitswerte. In Echt sah es ein klein wenig anders aus, nicht ganz so intensiviert.


Auswirkung von konstanten Biegekräften


Biegung einer Referenzspannung

Ruhewert ohne mechanischen Streß

zeigt die Auswirkung einer Biegung der Leiterplatte wenn die Biegekräfte das IC dehnen zeigt die Auswirkung einer Biegung der Leiterplatte wenn die Biegekräfte das IC stauchen
-180µV 0µV +520µV


Ruhewert ohne mechanischen Streß
-180µV 0µV +240µV
IC Dehnung ohne Berührung, es wurde soweit gebogen, bis sich der selbe Werte wie in der alten Messung eingestellt hat, mit ein wenig Übung ging das. (ca. 2 Minuten hab ich schon gebraucht) hier wurde das IC in der anderen Richtung gestaucht. Die Änderung der Ausgangsspannung ist etwa proportional zur Biegung.

Es ist leicht zu sehen, wie diese mechanischen Kräfte auf den Chip die Präzision der Ausgangsspannung doch beeinflussen. Gebogen wurde die Leiterplatte hier im Bereich der Größenordnung von ca. einem halben bis 1 Millimeter an ihren Enden. Bezogen auf 16 Bit würde die Änderung die Größenordnung von ca. 1-2 LSB erreichen.


Auswirkung von dynamischen Biegekräften


Versuchsaufbau

hier nun eine Messung mit dem Prüfling auf den Tisch festgeklebt, damit auch die Drähte einigermaßen ruhig gelagert sind. Im folgenden Versuch wurde hier leicht mit dem Mittelfinger mehrmals auf die Unterseite der Tischplatte geklopft. In einem zweiten Versuch, dem Antippversuch wurde die Leiterplatte während des Antippens weich in den Fingern gehalten und leicht angetippt. In beiden Versuchen beträgt die Vertikalauflösung des Oszilloskopes 100µV/DIV, die Horizontalauflösung liegt im Millisekundenbereich. Die Ergebnisse zeigen die folgenden Kurzvideos:

Video zum Klopfversuch      leichtes Antippen mit Halten in den Fingern

Sehr schön zu sehen wie durch die Impulsanregung mehrere Eigenfrequenzen dieses elektromechanischen Systems angeregt werden, der Fehler beträgt ein paar hundert Mikrovolt, das ist für die meisten Anwendungen nicht so schlimm, da beim Messen eigentlich normalerweise nirgends geklopft werden sollte.

Weitere Rauschreduzierung



Es ist ein nicht ganz unerheblicher Aufwand an verschiedenstem Test Equipment und auch Zeit notwendig um das Rauschen noch weiter zu reduzieren.

Hier zum Vergleich noch einmal die Messung im vorherigen Zustand, die Referenz läuft hier im Leerlauf. Eine Zusatzbeschaltung verbessert die Ausgangsspannung der Referenz. Einfach einen Kondensator dran zu hängen, das wäre aber zu einfach.

Es dauert eine Weile, bis man die richtige Beschaltung findet und ist schwieriger als man denkt. Manche Ausgangsfilter erhöhen in bestimmten Frequenzbereichen das Rauschen obwohl man von der einfachen Theorie her betrachtet eine Reduzierung erwarten würde. Das Problem tritt auf weil das angewandte theoretische Modell meistens falsch ist und nicht in ein paar Worten erklärt ist. Auch das Layout ist bedeutend.



auch das Spektrum ist jetzt breitbandig sauber, ein sehr wichtiges Argumemt um zu beweisen, dass nicht irgendwo Pole im Rauschen zu finden sind. Dargestellt sind hier 2MHz/DIV, DC (erster Peak) bis 18 MHz mit dem Spektrumanalyzer System 141T die RMS Rauschleistung gemessen mit dem 3400A True RMS Voltmeter. Das Gerät misst breitbandig von 10Hz bis 10MHz. Der Effektivwert des Rauschens der Schaltung beträgt über 10Hz bis 10MHz betrachtet noch ca. 25µV.



Filter nochmals verbessert

hier die Ausgangsspannung am Filter, nocheinmal gleich skaliert wie in den Messungen zuvor um den Unterschied zu sehen. hier wurde jetzt zur besseren Darstellung die Vertikalskalierung auf 5µV/DIV reduziert. Auch die Horizontale auf 5ms/DIV gestaucht. Neben dem Restrauschen ist ein kleiner Rest 50 Hz zu erkennen.
Trotz höherer Filterung wird das 1/f Rauschen nun zunehmend dominanter. Das 1/f Rauschen steigt mit abnehmender Frequenz leider immer stärker an und wird langsam auch am Oszilloskop sichtbar, vor allem in der 5µV/DIV Einstellung, man sieht den Strahl gelegentlich ein wenig hüpfen. 1/f Rauschen auszufiltern ist sehr schwer bis nicht mehr möglich.


Man wird sehen was noch erreicht wird. Den ursprünglichen Zweck der Ersatzreferenz jedenfalls hat das kleine Kärtchen erreicht.


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