2DW7,2DW232和2DW14系列电压基准的研究
中文摘要
本文总结了个人对2DW232系列电压基准的测试结果,并公开已有的相关结果,以便有需求的同行参考。

1. 背景

2DW232是一种国产的电压基准,具有典型值5ppm/℃的温漂系数。这个元件经历了2DW7系列、2DW232系列和2DW14系列的发展过程,最早能在1970年的电子元件手册里找到相关描述,是个很有历史感的国产元件。这个电压基准由两个反向连接的二极管组成,一只工作在正偏状态,另一只工作在反偏状态。工作电流合适时,这两只二极管的温度系数会相互抵消,得到低温漂的参考电压。


这种电压基准一般设计成6.2V的输出电压,因为这个电压下两只二极管比较容易有相反的温漂。而在工作电流方面,2DW232的典型值是5mA,2DW233是7.5mA,2DW234是10mA,2DW235是15mA,2DW236是20mA。这个元件的主要竞争品是国外的LTZ1000和LM399,而这两个元件是用反偏二极管和三极管来做温度补偿的。另外,这两个元件都做了片内恒温,所以指标远远超过2DW232系列。


2DW7系列分成A、B、C这3种型号,最早的温漂保证值只有50ppm/℃。用现代的眼光来看,这个指标简直不值一提;但考虑到70年代国内外都还在广泛使用标准电池作为电压基准,而标准电池的温漂一般有40ppm/℃,所以其实无所谓了。后来人们对2DW7C型号进行了更深入的研究,把指标提升到了5ppm/℃,还筛选了低温漂所需的工作电流,并用颜色标示。

屏幕截图 2023-04-29 232520.png

第一张图是我自己拍的,第二张图是别人的,参考网址如下:2DW7的特性表——zhke、眉版及其他有需要的朋友请进 - 〓仪表工具专区〓 - 矿石收音机论坛 - Powered by Discuz! (XXXXXXXXXXXXXXX)


2DW232系列是后面出现的系列,分成2DW231-2DW236这6种型号,其中2DW231替代了2DW7A和2DW7B,2DW232到2DW236则替代了各种颜色的2DW7C。这个元件有对应的行业标准,名称是《SJ50033/150-2002 半导体分立器件2DW230-236型硅电压基准二极管详细规范》。2DW14系列好像是替代2DW232系列的产品,可以分成2DW14-2DW18这5种型号,分类的依据是老化速率;每种型号有分为A、B、C这3种,分别对应不同的工作电流。这个元件也有行业标准,名称是《SJ50033/150-2002 半导体分立器件2DW14-18型低噪声硅电压基准二极管详细规范》。想了解详细指标的同事可以查找相关标准,这里就不冒险引用了。


2. 测试过程与结果

测试这种元件其实还挺麻烦的,因为我们通常只能测电压,测电压的温漂还是有点麻烦的;而且,这种低温漂元件的温漂还很小,普通的电压测试方法还不够用。为此,我准备了Agilent 34401A六位半万用表和Advantest R6144电压电流源,并弄了个小小的加热器,以及测温度的PT100电阻。

屏幕截图 2023-04-29 235847.png

这几个设备中,6144给电压基准供电,可以设置不同的工作电流;34401测量电压基准两端的电压差;加热器用来加热电压基准,加热的温度用PT100测出来。PT100电阻的阻值是用一个模块读取的,目前只精确到1℃,但已经不影响测试了。我将来打算用5位半万用表代替这个模块,但那是以后的事情了。


我最先测试的是2DW14C电压基准。按照设计,这个基准是工作在10mA电流下的,具有不超过5ppm/℃的温度系数,并且在55℃环境下、100小时内的老化水平不超过2ppm。测试结果如下图所示,我用Python程序控制了测试流程。

屏幕截图 2023-04-30 002207.png

可以看出,我的测试系统还有不少问题,比如说温度测量有滞后,所以降温跟升温的电压测量结果有一点差异;比如温度测量精度不太够,所以温漂曲线变成了阶梯状;比如加热范围有限,测不到60℃以上的温度范围,也搞不定10℃以下的部分。不考虑这些问题的话,可以看出,2DW14C的温漂曲线基本上是开口向下的抛物线,抛物线顶点的位置取决于工作电流。如果工作在10mA的位置,那在55℃左右会有零温度系数点,其他位置则有大约7ppm/℃的温漂;如果设置在8mA,那零温度系数点就在30℃附近了。


除了2DW14C,我还对手头的其他电压基准做了测试,因为我很想知道这些元件有哪些差异。比如说,2DW7C(红点)的测试结果如下图所示(热滞部分的数据没有显示,下同)。

屏幕截图 2023-04-30 003925.png

2DW7C的标称工作电流是5mA。根据我的测试,这个电流对应的零温度系数点是40℃,其他点的温度系数大概是5ppm/℃左右。这个元件应该是82年7月生产,这么长的时间都没失效,看来确实有两把刷子。


从这些测试结果可以看出,2DW系列电压基准都有零温度系数点,5ppm/℃指的是这些点以外的温度系数。不同型号对应的温度是不一样的,跟工作电流也有关系。我还测了2DW233的温度曲线,结果如下图所示(我修改了软件,这次会显示测到的电压)。

屏幕截图 2023-04-30 005729.png

对2DW233的测试表明,工作电流会稍微影响元件的输出电压,虽然不是很明显。2DW233的标称工作电流是7.5mA,测试中的零温度系数点在45℃左右,而且其他点的温度漂移也要小一点。


3. 电路板测试

关于电压基准,有个将电路的输出设为10V的习俗。我沿用了这个设定,用2DW14C作为电压基准元件,用EE 1/8系列的低温漂金属膜电阻作为升压电阻,电阻的温漂选为5ppm/℃,配合运算放大器构成正反馈电路,将输出电压从6.2V升到10V。我选择15K和9K的电阻作为升压电阻,并通过串并联电阻+可调电位器来微调电压,配合34401万用表,将输出电压控制到10V±1mV的范围内。


如何配置2DW14C的工作电流是一个很重要的问题。我个人推测2DW14C是配合恒温设备使用的,如果将工作电流设为10mA,并将温度稳定在55℃左右,则2DW14C可以工作在零温度系数点,恐怕会有比肩LTZ1000的温度稳定性。我的电路中没有恒温设备,因此选择8mA的工作电流,此时零温度系数点在35℃左右,比较接近室温,满足大多数使用场景。该电路的测试结果如下图所示。

屏幕截图 2023-04-30 022012.png

从结果上看,调整工作电流到8mA后,在20℃到40℃的温度范围内,2DW14C电压基准电路的温漂约为1.7ppm/℃,远超过标称的5ppm/℃。如果直接用标称的10mA工作电流,那零温度系数点就会落在55℃周围,测到的电路温漂如下图所示。

屏幕截图 2023-04-09 205040.png

这个电路的温漂接近6ppm/℃,虽然没有明显超出标称指标,但跟第一个电路相比还是差了很多的。显然,使用2DW系列电压基准时,应当选择合适的工作电流,可以实现超出产品手册标称值的指标水平。



来自:仪器与装备 / 仪器仪表电子信息 / 电子技术动手实践:实验报导
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~~空空如也
虎哥
10个月4天前 修改于 10个月4天前 IP:四川
919984

淘宝上2DW232只要一两块钱,如果不是楼主亲测,完全不敢相信有这么高性能,当然淘宝上的是不是靠谱就不清楚了。

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qiuzheru1
10个月4天前 IP:瑞士
919986

eevblog上zlymex说某些2DW23x有很优秀的噪声性能,这里有些die photo XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/forum/metrology/ultra-low-noise-reference-2dw232-2dw233-2dw23x/msg4417735/#msg4417735

很久没去过38hot之类的论坛了,那上面可能有更多的信息。

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虎哥
10个月4天前 IP:四川
919990
引用qiuzheru1发表于3楼的内容
eevblog上zlymex说某些2DW23x有很优秀的噪声性能,这里有些die photo htt...

这位是谁啊 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXm

Shanghai 17th Radio Factory 2DW234

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Im China Academic Journal findet sich eine Veröffentlichung über Referenzspannungsdioden mit der Bezeichnung 2DW. Vertraut man dem Google-Übersetzer, dann handelt es sich um eine Familie temperaturkompensierter buried Zenerdioden. Diese Referenzspannungsdioden werden von mehreren Herstellern produziert und sind außerhalb Chinas eher unbekannt.

Die Kompensation des positiven Temperaturkoeffizienten der Zenerdiode erfolgt durch den negativen Temperaturkoeffizienten einer in Flussrichtung gepolten Diode. Schafft man es die Dioden passend auszulegen, so ergibt sich bei einem bestimmten Strom ein verschwindender Temperaturkoeffizient.

Das Verlegen der Sperrschicht der Zenerdiode von der Oberfläche in das Innere des Halbleiters ("buried zener") reduziert Drifts durch Alterungseffekte und auch das Rauschen der Referenzspannung. Die Konzentration von Fremdatomen und Störstellen ist im Inneren des Halbleiters sehr viel geringer als an der Oberfläche.

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Die Veröffentlichung spezifiziert die Referenzdioden 2DW14 bis 2DW18, die im Standard SJ 50033/151-2002 als "low-noise silicon voltage-regulator diodes" beschrieben sind. Darunter werden die Referenzdioden 2DW232 bis 2DW236 aufgeführt, die der Standard SJ 50033/150-2002 lediglich als "silicon voltage-regulator diode" bezeichnet.

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Ebenfalls im China Academic Journal findet sich eine Veröffentlichung, deren Titel Google mit "Eine hochwertige und kostengünstige Spannungsreferenz - 2DW230-2DW236 Referenzspannungsdiode" übersetzt. Darin werden die schlechteren Referenzspannungsquellen 2DW230-2DW236 verschiedener Hersteller mit anderen temperaturkompensierten Zenerdioden, unter anderem einer 1N825A von Motorola, verglichen.

Es fällt auf, dass die Ausgangsspannungen der Referenzen unterschiedlich stark rauschen und teilweise einen erheblichen Drift aufweisen. Besonders gute Eigenschaften bietet die Marke "Saphir" der Shanghai 17th Radio Factory (erste Zeile), mit der sich die Veröffentlichung im Speziellen beschäftigt. Das potenziell geringe Rauschen hat sich im EEVblog-Forum herumgesprochen und wurde dort ausführlich diskutiert und vermessen.

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Die Veröffentlichung geht auch auf die Reproduzierbarkeit der Werte ein. Von 40 der speziellen 2DW234 driften 34 mit weniger als 120µV/100h.

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Eine Tabelle zeigt die Eigenschaften der verschiedenen 2DW-Varianten aus der Saphire-Reihe.

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Die Saphir-2DW-Referenzspannungsquellen sind durch das aufgedruckte Edelstein-Symbol zu erkennen. Die hier dokumentierten 2DW232 und 2DW234 wurden über Ebay bezogen. Die folgenden Bilder stammen von mehreren verschiedenen Bauteilen. Die 2DW232 und 2DW234 sind grundsätzlich gleich aufgebaut. Höchstwahrscheinlich handelt es sich lediglich um verschiedene Sortierungen.

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Der Standard SJ 50033/150-2002 spezifiziert den mechanischen Aufbau und die Verschaltung der Dioden. Der seitliche farbige Punkt zeigt die Polarität der temperaturkompensierten Zenerdiode.

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Im Gehäuse findet sich ein längliches Die und eine weiße Vergussmasse, wie man sie in chinesischen Transistoren öfter findet. Die Späne, die beim Öffnen des Gehäuses entstehen, haften verhältnismäßig gut auf der Vergussmasse.

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Der Verguss bedeckt das Die nicht immer vollständig.

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Die Abmessungen des Dies betragen 0,74mm x 0,36mm. Darin integriert sind zwei quadratische Zenerdioden, deren Anoden über das Die miteinander verbunden sind.

Die allgemeine Veröffentlichung zu den 2DW-Dioden beschreibt grob den Herstellungsprozess. Demnach handelt es sich lediglich um ein p-dotiertes Substrat, in das mit Phosphor einmalig eine n-Dotierung eingebracht wird. Es scheint unmöglich so die spezielle Struktur einer buried Zenerdiode aufzubauen, wie sie zum Beispiel im Rahmen der ADR1000 genauer beschrieben ist.

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Im linken Bild wurde mit Salzsäure das Aluminium abgetragen. Im rechten Bild wurde danach mit Flusssäure das Siliziumoxid aufgelöst. Eine besondere Struktur ist nicht zu erkennen.

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Wie unter anderem bei der ADR1000 gut zu sehen ist, leuchtet die Sperrschicht einer Z-Diode im Betrieb auf. Betreibt man die 2DW234, so ist keine Leuchterscheinung zu erkennen. Anscheinend befindet sich die Sperrschicht unter der Metalllage.

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Die Qualitätsmaßstäbe sind anscheinend nicht allzu hoch. Bei einer 2DW234 war links erst der dritte Bondversuch erfolgreich.

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Noch überraschender sind allerdings die Überreste von anderen Halbleitern, die sich in sechs von sieben Gehäusen finden. Hier scheinen alte Gehäuse wiederverwendet worden zu sein.

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Es handelt sich um die Überreste eines Doppeltransistors. Die teilweise abgetragenen Kanten entstanden wahrscheinlich bei dem Versuch das Die zu entfernen. Was nicht entfernt werden konnte, wurde mit einem Verguss abgedeckt. 

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Hier findet sich ein etwas leistungsfähigerer Transistor, der offenbar mit zu viel Lot im Gehäuse befestigt wurde. 

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Von diesem Die ist nicht allzu viel zurückgeblieben. Es handelte sich wohl ebenfalls um einen leistungsfähigeren Transistor.

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Bei diesen beiden Gehäusen findet sich nur noch das Lot, mit dem der vorherige Halbleiter befestigt war oder befestigt hätte werden sollen.

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qiuzheru1
10个月4天前 IP:瑞士
919992
引用虎哥发表于4楼的内容
这位是谁啊 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXmShanghai ...

Noopy是一名德国网友 (XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/forum/profile/?u=503178 )。他业余拍摄了很多模拟芯片的开盖照片,并且常结合专利文献详细分析设计。

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WJXHH007
10个月3天前 IP:北京
919999

各位大佬,如果想替代 IN829A,国产2DW23?系列中哪一个更好?

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研究黑魔法的生菜作者
9个月27天前 IP:安徽
920307

补充一点测试结果。

我这边刚好有一点钻石标志的2DW232,工作电流应该是5mA,测试结果如下图所示。从结果来看,这个元件的温漂在3.5mA时比较小,该电流对应的零温度系数点是40℃,但在零温度系数点两侧都有差不多5ppm/℃的温漂,算是比较大的;如果要把零温度系数点移动到室温,那对应的电流大约是3mA或更低。

钻石2DW232的温漂测试结果.png

总之,我觉得2DW系列的电压基准应该优先做成恒温的,并调整工作电流,使其零温度系数点落到恒温温度上;其次是调整工作电流,使零温度系数点落到室温范围,这样在室温环境下使用时更方便。

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研究黑魔法的生菜作者
9个月27天前 IP:安徽
920308
引用WJXHH007发表于6楼的内容
各位大佬,如果想替代 IN829A,国产2DW23?系列中哪一个更好?

只看指标的话是2DW233,但实际情况很难描述,最好能更详细的讲解下需求。

而且,国内有地方能买到1N829A???价格合适的话我很想买一点测试一下,这玩意很罕见的。

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WJXHH007
9个月25天前 IP:北京
920365

我去年在淘宝上买到了几只IN829a。二十几块钱的单价。如果多买还能便宜些。我想用在输力强7150系列的万用表上。有的表显示数值跳的有点厉害。多买点齐纳管替换着试一下。

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2SC1970
9个月10天前 IP:四川
920939
引用研究黑魔法的生菜发表于8楼的内容
只看指标的话是2DW233,但实际情况很难描述,最好能更详细的讲解下需求。而且,国内有地方能买到1N...

1N829A淘宝上还是很多卖的,价格几块钱到二十多不等

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BSP
9个月10天前 IP:湖南
920942

电压的升温曲线与降温曲线不重合可能不全是测试设备的温度滞后导致的现象,也可能是电压基准的温度滞回特性吧

前两天翻ADI的电压基准设计资料翻到了“电压基准的温度曲线滞回特性”这个说法

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