Бюджет ошибок источника опорного напряжения

Как пользоваться

1. Выберите источник — поля заполнятся из его даташита. Для другого источника выберите «Свой источник» и введите параметры из таблицы электрических характеристик.
2. Проверьте, как задан температурный дрейф: методом «коробки», от 25 °C или отклонением в милливольтах. Это написано в сноске к таблице.
3. Задайте время работы без перекалибровки, изменение входного напряжения и тока нагрузки в вашей схеме.
4. Укажите разрядность АЦП: калькулятор переведёт ошибку в LSB и подскажет, какой разрядности она соответствует.
5. Если опорное калибруется при 25 °C, включите калибровку: начальная точность и сдвиг после пайки уйдут из суммы.

Как считается

Все ошибки приводятся к ppm номинального напряжения: 1 % = 10 000 ppm, а ошибка в вольтах — ppm · V_ном/10⁶.

В таблице составляющих у каждой строки стоит метка: «гарантировано» — предел даташита, «типовое» — столбец Typ, «оценка» — пересчёт калькулятора. Дрейф по «коробке» на диапазоне уже, чем в даташите, долговременный дрейф не за 1000 ч, а за другое время — оценки. Метод «коробки» описывает дрейф прямоугольником: ширина — диапазон температур, высота — разность наибольшего и наименьшего напряжения в нём. Коэффициент — это высота, делённая на ширину и номинал, поэтому обратно получить высоту можно только умножением на тот же диапазон. TI в SSZTAX8 советует так и делать, даже если рабочий диапазон уже: на его части напряжение может уйти почти на всю высоту коробки. Analog Devices для ADR4525 приводит и второй метод — «бабочку» от 25 °C, и коэффициент по нему вдвое больше.

Шум 0,1–10 Гц учитывается полным размахом, как в таблице 4-1 TI SNAA320B: значение, записанное при калибровке, и значение при измерении — два случайных отсчёта, и разница между ними может достигать всего размаха. Отфильтровать его практически нельзя, усреднение отсчётов АЦП его не уменьшает.

Итог — $\sum |e_i|$ (наихудший случай) и $\sqrt{\sum e_i^2}$ (RSS). Ошибка в LSB N-разрядного АЦП — ppm · 2^N/10⁶ (SNAA320B, ур. 3); это значение для сигнала у края шкалы, у середины оно вдвое меньше. Калькулятор показывает и ТКН, при котором один только дрейф уложится в ½ LSB: 10⁶/(2^N+1 · ΔT) (ADI MT-087, рис. 12).

Пресеты: что дают даташиты

Прочерк — параметр в даташите не указан, и калькулятор его не учитывает. Если даташит даёт коэффициент для нескольких диапазонов, как REF3030E, калькулятор предлагает выбрать диапазон: на −40…85 °C у REF3030E 20 ppm/°C, то есть 2500 ppm — больше, чем 15 ppm/°C на более широком −40…125 °C (2475 ppm). У VREFINT STM32F103 границы 1,16–1,24 В уже действуют во всём диапазоне температур, поэтому без калибровки калькулятор берёт только их (±3,33 %), а разброс 10 мВ по температуре добавляет после калибровки. Почти у всех источников гистерезис, долговременный дрейф и шум даны только типовыми значениями: их проверяют на образцах при разработке, а не на каждой микросхеме. Более полные карточки источников — в разделе «Источники опорного напряжения».

Пример: REF5025 за год

Значения по умолчанию: REF5025I в корпусе VSSOP-8, диапазон −40…125 °C, год работы (8766 ч), вход меняется на 1 В, нагрузка — на 1 мА, АЦП 16 бит.

Для 16-разрядного АЦП это ±80 LSB в наихудшем случае и ±47 LSB по RSS: без калибровки источник с точностью 0,05 % на первой странице даташита обеспечивает лишь 8–9 разрядов с ошибкой меньше ½ LSB. Калибровка при 25 °C убирает 500 ppm, остаётся 729 ppm по сумме и 520 ppm по RSS — теперь главная ошибка — температурный дрейф. Чтобы удержать в ½ LSB 16 разрядов на 165 °C, ТКН должен быть около 0,05 ppm/°C.

Пример TI: REF3425

В SNAA320B TI считает REF3425: начальная точность 0,05 % (500 ppm), ТКН 6 ppm/°C на 165 °C (990 ppm), гистерезис двух циклов 30 + 10 = 40 ppm и шум, учтённый как 15 ppm. Заметим: в таблице TI шум записан как 15 мкВ размах, а 15 мкВ от 2,5 В — это 6 ppm, не 15. Калькулятор пересчитывает микровольты честно, поэтому при вводе 15 мкВ получится 1536 ppm, а не 1545; чтобы повторить таблицу TI, введите 37,5 мкВ. Сумма — 1545 ppm, RSS — 1110 ppm; после калибровки при 25 °C остаётся 991 ppm, а если калибровка по температуре уменьшает дрейф на 80 % (до 198 ppm), — 202 ppm. В SBAA436 к тому же ТКН добавлен долговременный дрейф REF34-Q1 за десять лет: 25 ppm · √87,6 ≈ 234 ppm. После начальной калибровки дрейф и старение делят ошибку как 81 и 19 %.

Пример TI: LM4040 и TL431

LM4040 задаёт ТКН от 25 °C, и TI сама пересчитывает его в допуск во всём диапазоне: у класса A ±0,1 % плюс 100 ppm/°C · 65 °C — ±0,75 %, у 2,5-вольтового прибора это ±19 мВ. Класс B даёт ±0,85 %, C — ±1,15 %, D — ±1,98 %; в расширенном диапазоне −40…125 °C (65 → 100 °C) C и D — ±1,5 и ±2,5 %. TL431BI вместо коэффициента задаёт отклонение VI(dev) до 34 мВ на −40…85 °C, что по формуле TI даёт в среднем около 109 ppm/°C. Вместе с начальным разбросом ±12 мВ это ошибка до ±46 мВ — почти 2 %. Для расчёта делителя TL431 есть калькулятор TL431.

Ограничения

• Калькулятор складывает модули ошибок. Знак гистерезиса, дрейфа и нагрузки у конкретного экземпляра может совпасть или нет — это и описывает разница между суммой и RSS.
• Шум 10 Гц – 10 кГц (широкополосный) не входит: его уменьшают фильтром на выходе источника. TI в SNAA320B показывает, как сравнить его с шумом АЦП.
• Динамическая ошибка — просадка опорного на входе SAR-АЦП во время преобразования — зависит от конденсатора на выходе и не считается.
• Внутренние опорные микроконтроллеров нормированы скупо: у ATmega328P температурной зависимости в таблице нет вовсе. Их обычно измеряют на каждом экземпляре.
• Ошибку опорного вместе с ошибками самого АЦП, делителя и выборки считает калькулятор бюджета ошибок АЦП, а о младшем разряде — в термине «Младший разряд».