Coloquei os 3 tipos pra brigar!
Nesse artigo, verificaremos o desempenho desses 3 referências s de tensão, 2 do tipo série e um tipo shunt.
Primeiro, vamos apresentar os competidores!
LM399H
Já tenho um artigo aqui sobre ele. É um referência utilizada em diversos equipamentos, inclusive multímetros da HP. Fabricado pela Linear Technologies, hoje Analog Devices, esse circuito promete coeficiente de temperatura de 0,5ppm/°C.
Para garantir a estabilidade, a referência de tensão baseada em um tipo de Zener, há um resistor de aquecimento que força o circuito integrado a trabalhar em uma faixa de temperatura fica. Adicionalmente, vem encapsulado dentro de um 'forno' (no Datasheet, oven), minimizando a rápida transferência térmica entre o invólucro e ambiente, aumentando a estabilidade do circuito.
Por si só, não fornece um valor de tensão muito conveniente, o que faz necessário que seja utilizado em conjunto com alguma circuitaria, como amplificador operacional, para criar um nível de tensão de saída ajustado à um valor conveniente.
O ponto central da estabilidade desse circuito está na qualidade dos componentes auxiliares utilizados, como o amplificador operacional, resistores, etc.
LT1021DCN8-10
O LT1021 é uma referência de tensão do tipo série e também tipo shunt que, segundo o fabricante, é otimizada para oferecer um baixíssimo ruído (menor que 1ppm entre 0,1 e 10Hz) e coeficiente de temperatura de 5ppm/°C.
Não requer nenhum circuito adicional para funcionar e sua ligação é extremamente simples, basta alimentá-lo para que entre em funcionamento.
Possui a possibilidade de ligação de um trimpot externo, para ajuste fino da tensão de saída. Neste caso, não pode-se esquecer do coeficiente de temperatura do próprio trimpot, que insere uma instabilidade no sistema.
Como os coeficientes de temperatura já são claramente diferentes entre os modelos de referência que serão utilizados, tentaremos comparar os aspectos gerais do funcionamento dos circuitos, e também, no caso do LM399, o comportamento geral do próprio circuito.
AD584JNZ
Já considerado obsoleto, este circuito integrado ganhou relativa popularidade em função dos kits, vendidos em sites de produtos chineses variados, cuja finalidade seria de aferir a calibração de multímetros. Normalmente, estes kits vêm acompanhados de uma "Etiqueta de Calibração", onde o valor absoluto de cada uma das tensões nominais é anotado, junto com o modelo do multímetro utilizado no teste e a temperatura ambiente. E só. Essas informações não são nada rastreáveis, uma vez que não são apresentadas nenhuma outra especificação, como a data de calibração do multímetro, número de série e qualquer outro dado que possibilite a rastreabilidade da medida.
Desta forma, essa etiqueta apenas apresenta valores que podem, por sorte, estar dentro das especificações ou, então, completamente fora, aferidas com um multímetro longe de uma escala de exatidão aceitável, apesar de uma resolução absurda (de vários "nadas").
O AD584, dentre todos, é o que apresenta pior característica em termos de coeficiente de temperatura, de 15ppm/°C, se comparado com o LM399, isso nos dá uma magnitude de diferença de 30 vezes.
A Briga
Logo de cara, ponto negativo para um dos participantes: LT1021. Comprei 2 peças. Uma delas veio completamente fora da especificação e foi inutilizada.
Para este teste, foram utilizados 4 circuitos integrados AD584, que além de representarem sua categoria, puderam ser comparados entre si.
O 1º AD584 foi configurado segundo o manual do fabricante para fornecer uma tensão de 7,5V.
O 2º e o 3º AD584 foi deixado sem ligações específicas, fornecendo 10V, 5V e 2,5V.
O 4º e último AD584 foi configurado para fornecer 5V.
Todos os circuitos foram energizados simultaneamente, e um teste preliminar de variação foi realizado. Após um período de cerca de 1h de aquecimento, os seguintes valores foram medidos e serão utilizados como referência para análise da variação:
:: LT1021 > 10,00002V
:: LM399H > 10,00003V (saída do circuito) | 6,97601 (referência de tensão)
:: 1º AD584 > 7,50101V
:: 2º AD584 > 10,00210V; 5,00349V; 2,50221V
:: 3º AD584 > 9,99957V; 5,00041V; 2,50014V
:: 4º AD584 > 5,00217V
Os circuitos "envelheceram" por 12 horas consecutivas, e foram submetidos à temperatura ambiente normal, com variação entre 23 e 28ºC. Após esse período, uma nova medida foi realizada, resultando em:
:: LT1021 > 10,00010V
:: LM399H > 10,00004V (saída do circuito)|6,97602V (referência de tensão)
:: 1º AD584 > 7,50119V
:: 2º AD584 > 10,00232V; 5,00364V; 2,50232V
:: 3º AD584 > 9,99971V; 5,00052V; 2,50023V
:: 4º AD584 > 5,00230V
No exato momento da medição, a temperatura ambiente estava em 24,3°C e a Umidade Relativa em 49%.
Realizando uma rápida análise preliminar dos resultados já é possível verificar que o sistema mais estável é o do LM399H, porém, no que diz respeito à referência de tensão e não ao circuito, como foi discutido no artigo dedicado à essa referência de tensão.
O valor de referência do Zener de 6,95V apresentou, inicialmente, 6,97601 e nessa análise preliminar, tivemos uma variação de 1,4 P.P.M. e, quanto ao circuito, a variação foi menor do que 1 P.P.M.
Já o AD584, todos os circuitos tiveram variação superior à 14 P.P.M. e, no pior caso, 43,96 P.P.M.
Não foi possível realizar os testes em ambiente de temperatura controlada, porém, de acordo com as informações do Datasheet de cada um dos fabricantes, essa variação de temperatura não deveria causar variação significativa na tensão de saída.
Após 13h da tomada das medidas anterior, uma nova medição foi realizada, com temperatura ambiente de 26,3°C e Umidade Relativa de 48%.
:: LT1021 > 10,00014V
:: LM399H > 9,99956V (saída do circuito)|6,97601V (referência de tensão)
:: 1º AD584 > 7,50127V
:: 2º AD584 > 10,00235V; 5,00373V; 2,50244V
:: 3º AD584 > 9,99978V; 5,00062V; 2,50036V
:: 4º AD584 > 5,00240V
Com exceção do LM399H, cuja variação foi para baixo, todos os outros circuitos apresentaram incremento na tensão de saída.
Por fim, após mais 12 horas de funcionamento, uma nova bateria de medições foi realizada. Desta vez, com a temperatura ambiente de 24,5°C e Umidade Relativa de 53%.
:: LT1021 > 10,00020V
:: LM399H > 9,99958V (saída do circuito)|6,97604V (referência de tensão)
:: 1º AD584 > 7,50480V
:: 2º AD584 > 10,00590V; 5,00724V; 2,50592V
:: 3º AD584 > 10,00332V; 5,00413V; 2,500384V
:: 4º AD584 > 5,00589V;
Nesta última medição, foi uma surpresa o valor final das medições, que em alguns casos, foi superior a 1000 P.P.M.
Nenhuma alteração no circuito foi feita, nem movimentação entre os componentes ou troca de posição. Os circuitos funcionaram de forma ininterrupta desde o primeiro momento e não houveram quedas de energia ou nada que criasse uma variação dos resultados tão grande.
Os resultados finais obtidos, tendo-se tomada como referência os valores iniciais lidos foram:
LT1021: +18P.P.M.
LM399H: -45P.P.M. (tensão de saída) | +4,3 P.P.M. (Referência de tensão).
1º AD584: +505,2 P.P.M.
2º AD584:
:: 10V: +380 P.P.M.
:: 5V: +749,5 P.P.M.
:: 2,5V: 1482,7 P.P.M.
3º AD584:
:: 10V: +375 P.P.M.
:: 5V: +743,9 P.P.M.
:: 2,5V: 1480 P.P.M.
4º AD584: +743,68 P.P.M.
TODOS os integrados se apresentaram fora das especificações do fabricante. Porém, o que manteve-se mais estável foi o LT1021 e a referência de 6,95V do LM399.
Tratando-se de um circuito muito simples de ser implementado, que não requer nenhum componente adicional ou, apenas um trimpot de ajuste fino, o LT1021 utilizado, apesar de não ser a melhor versão do componente, é o que apresenta o melhor custo benefício de todos e uma ótima estabilidade final, melhor até do que o LM399H montado neste teste.
Porém, no que diz respeito à estabilidade, a referência de 6,96 que, apesar de apresentar-se em 6,97 mas que pode ser corrigida com polarização, foi o que apresentou a maior estabilidade mas com o dobro do valor. Ao passo que o preço médio do LT1021 foi de R$15,00 em Outubro de 2021, o LM399H apresenta valor médio de R$51,00, podendo ser encontrado de R$32,00 a R$70,00 no mercado.
No caso, os AD584, que já não eram a melhor versão do componente, mostraram-se razoavelmente estáveis até a 2ª casa decimal. Isso os torna componentes bem adequados para servirem de referência de tensão externa para circuitos utilizando conversores AD de Microcontroladores, onde necessita-se de uma "relativa" exatidão e repetibilidade, sabendo-se que os uC são bastante imprecisos em alguns casos, uma referência de tensão vem a cair bem!
Referências:
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/1021fc.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD584.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/199399fc.pdf
https://www.digikey.com/en/products/detail/analog-devices-inc/LM399H/2002709
https://www.ti.com/lit/wp/slpy003a/slpy003a.pdf?ts=1636169118479&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F
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