Denkt man an Spannungsreferenzen, fallen einem sofort Zenerdioden und Bandgap Referenzen ein.  In diesem Beitrag soll es um eine weitere Realisierung, welche irgendwo dazwischen liegt, gehen: den sogenannten XFET-Referenzen.

Was ist XFET?

Von Analog Devices Ende der 90er entwickelt eignet sich XFET für Low-Power-Low-Voltage Anwendungen und zeichnet sich durch sehr geringes Rauschen, gerade in der für ADC´s wichtigen 0,1-10Hz Region aus. Im Grunde funktioniert eine XFET-Referenz ähnlich wie eine klassische Bandgap, jedoch werden JFETS anstelle von Bipolartransistoren verwendet.ei einem der JFETs ist ein zusätzlicher Kanal implantiert. Was zu verschiedenen Pinchoff Spannungen führt.

Das Besondere bei der Verwendung von JFETs ist, dass der von den Transistoren erzeugte CTAT Strom (Negativer Temperaturkoeffizient) mit ca -150ppm/C geringer ist als der von Bandgaps. Dies erleichtert es ihn zu kompensieren. Da bei Bandgap vor allem die PTAT (positiver Temperaturkoeffizient) Kompensation rauschen bringt, ist XFET deutlich rauscharmer.
(Quelle: Analog Dialog 1998)

XFET im Vergleich:

Referenzen mit Zener-Dioden können eine bessere Performance bezüglich Stabilität und Rauschen erreichen, erkauft wird dies aber durch eine hohe Versorgungsspannung. In der Regel mehr als 6V. 

Bandgap Referenzen kommen mit weniger Versorgungsspannung aus, haben aber mehr Rauschen und mehr Drift. XFET schließt hier die Lücke mit einer besseren Rauschperformance als Bandgaps mit deutlich kleineren Versorgungsspannungen.

Welche XFET Spannungsreferenzen gibt es?

Der Name XFET ist ein von der Firma Analog Devices geschützter Markenname. Zu kaufen gibt es diese zurzeit in der ADR44X Serie. Diese gibt es in zwei Klassen: A und B. Wobei Klasse B einen besseren Temperaturkoeffizienten von 3ppm/C anstelle von 10ppm/C hat und auch eine bessere Anfangsgenauigkeit.

Test und Messungen: ADR441B

Zum Testen habe ich eine ADR441B Referenz vermessen. Aufgezeichnet wurden die Ausgangsspannung, die Eingangsspannung, der Eingangsstrom und die Temperatur über die ersten 72h. Die Referenz ist zu vor noch nicht gelaufen, weshalb ein erhöhter Drift zu erwarten ist.

Drift der Ausgangsspannung

In den ersten Stunden ist ein starker Drift zu erkennen, danach steigt die Spannung weiter linear an. Ab circa Stunde 60 nimmt der Anstieg ab und die Ausgangsspannung scheint auf einem festen Niveau zu sich einzupendeln.

Temperaturabhängigkeit

Vergleicht man die Ausgangsspannung mit der Temperatur, so fällt ein negativer Temperaturkoeffizient auf.  Jedoch sind diese Daten mit Vorsicht zu genießen, da der Temperaturbereich sehr klein ist und die Referenz am Anfang gerade noch stark driftet.

Abhängigkeit zur Eingangsspannung und zum Eingangsstrom

Der Vergleich zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung zeigt eine lineare Abhängigkeit. Die Schwankung der Eingangsspannung ist jedoch nicht groß genug um hier sinnvoll die Referenz zu beurteilen. Weitere Messungen hierzu folgen noch.

Beim Vergleich der Ausgangsspannung und dem Eingangstrom ist keine direkte Abhängigkeit zu erkennen.

Rauschen

Zur Bestimmung wurde das Rauschen der Referenz mit einer Samplingrate von 1000Hz für 10000 Samples abgetastet.

Es ist im 0.1Hz – 10Hz Bereich das 1/f Rauschen zu erkennen, die Rauschleistungsdichte ist in dem Bereich dennoch gut und Vergleichbar mit den Datenblatt-Werten. Es ist ein 50Hz Ton in den Messaufbau eingekoppelt, welcher die Peaks erklärt.

Fazit:

Die ADR441 XFET-Referenz ist eine gute Alternative mit Vor- und Nachteilen. In nachfolgenden Beiträgen werden noch weitere Messungen und Vergleiche mit anderen Referenzen folgen.

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