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
研究黑魔法的生菜 作者
11个月15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
11个月15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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研究黑魔法的生菜
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学术分
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2023/04/24注册,2个月4天前活动

研究黑魔法的生菜。 会制作一些简单的电路,有一点测试能力,总是试图搞一搞最麻烦的指标。

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