LM399 vs LT1021 vs AD584 Fight

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

Referência de tensão com LM399H

O circuito integrado LM399H, conhecido por integrar no circuito de tradicionais multímetros do mercado, como o HP3478A, é uma referência de tensão, tido como de boa estabilidade e baixo desvio em função da temperatura.

Seu circuito simplificado apresenta internamente uma resistência de aquecimento e um Zener, cuja tensão Vz é de 6,95V. Além disso, o integrado vem encapsulado em uma espécie de "forno", que nada mais é do que um encapsulamento de plástico que contribui na manutenção da temperatura de trabalho. A tensão de alimentação do aquecedor pode ir de 9V a 40V, segundo o fabricante.

O sistema de controle de temperatura não é realimentado, o que desfavorece um pouco a estabilidade do componente, mas melhora significativamente no desvio em função da temperatura ambiente.

Existem circuitos integrados, como o LTZ1000, utilizado em multímetros de 8 1/2 dígitos, que possuem integrados na mesma pastilha transistores que funcionam como sensores de temperatura, e que contribuem para uma quase perfeita estabilização e baixíssimo coeficiente de temperatura. Circuitos como este são normalmente proibitivos para uma aplicação Hobby ou comercial.

No mercado nacional, é possível encontrar o LM399 por valores variando entre R$30, e R$70 reais, como referência novembro de 2021. Isso o torna especial para aplicação de precisão e com custo relativamente baixo.

O circuito aqui apresentado é baseado no Datasheet do componente, referenciado como "Portable Calibrator".

De montagem simples, utiliza apenas um amplificador operacional de precisão, alguns resistores de precisão e um trimpot multivoltas.

O circuito faz uso da referência de tensão e do ampop para gerar uma tensão de saída de 10V, ajustável através do trimpot.

Ao observar o circuito, identificam-se alguns pontos críticos, como por exemplo os resistores de realimentação negativa, o trimpot e o próprio ampop.

:: Os resistores de realimentação negativa precisam ser de excelente estabilidade térmica. Isso devido ao fato de estarem diretamente relacionados com o ganho do circuito e com a tensão de saída. Idealmente, esses componentes deveriam ser integrados no mesmo substrato, de tal forma que a variação de temperatura do sistema fosse igualmente percebida nós dois, simultaneamente. Assim, com o aumento da temperatura e um coeficiente de temperatura igual para os dois componentes, o valor de tensão de saída sofreria uma variação mínima.

:: O trimpot é um segundo elemento bem crítico no que diz respeito à estabilidade. Por ser constituído de partes mecânicas móveis, folgas, impactos e variações de temperatura podem influenciar fortemente no valor ajustado de resistência do circuito. Idealmente, seu valor deve ser o mais baixo o possível e com resolução alta, para garantir a menor variação possível para o circuito. O ajuste de compensação pode ser feito no resistor de realimentação e o que encontra-se em série com este trimpot, para que este possa ser substituído por valores na casa das centenas de ohms apenas.

:: O amplificador operacional, em outra mão, deve ser escolhido para que apresente o menor coeficiente de temperatura possível, podendo até ser utilizado um com possibilidade de ajuste na tensão de offset de saída, mas preferivelmente um de boa qualidade, como o recomendado lt1001, é bem decente para a aplicação.

Uma alternativa para amenizar os problemas elencados é minimizar a transferência térmica do circuito com o ambiente. Para isso, pode-se enclausurar todo o circuito, em uma caixa fechada e com algum material potencialmente isolante térmico, como espuma ou isopor, lã de vidro ou de rocha, etc.

Isso faz com que, primeiro, todos os componentes estejam na mesma temperatura e, em segundo lugar, a temperatura dentro da clausura mantenha-se uniforme e estável.

É importante notar que o sistema precisa de um tempo de estabilização, de tal forma a permitir que atingida a temperatura de estabilização, as medições possam ser efetuadas dentro da condição estática do circuito.

Os testes aqui apresentados não configuram a condição ideal de aplicação do circuito, com uma montagem em protoboard e sem o isolamento térmico do circuito com o ambiente.

Descrição do teste 

Materiais utilizados

*Por se tratar de um circuito altamente sensível, que pode sofrer influência sob muitos fatores, serão listados aqui os materiais, seus respectivos fabricantes e as especificações apresentadas ou obtidas empiricamente desses elementos.

:: Matriz de contatos de 840 pontos Minipa MP-840 [Contatos de bronze fosforoso banhados à níquel];

:: LM399H [lote: H0736];

:: Fonte de Alimentação Linear ajustável de 30V-5A

:: Amplificador Operacional OP07

Medição:

:: Agilent 34401A, conectado à um computador via comunicação serial RS-232 com software DMM conectivity utility

:: 

Metodologia

O circuito apresentado foi montado em uma matriz de contatos, nova, para evitar mal contato e falhas.

A tensão de alimentação adotada foi de 15V DC, oriunda de uma fonte linear, com baixo ripple e baixo ruído:

 > Vripple: 1mV RMS;

Foi colocado sobre a parte do circuito na matriz de contatos, uma pequena caixa plástica, para minimizar correntes de vento e dificultar a troca de calor entre o circuito e o ambiente.

Após a energização do sistema, aguardou-se 5 minutos para que o ajuste da tensão de saída fosse realizado no trimpot. Um tempo de estabilização de 1 minuto serviu de intervalo entre os ajustes da saída, até que a tensão de saída ficasse o mais próxima o possível de 10V. A tensão obtida foi de 10,00002V.

O sistema foi deixado em funcionamento em 3 condições análogas, de tal forma que se pudesse aferir seu funcionamento.

No primeiro teste, o circuito ficou acionado por 24h consecutivas, e a temperatura ambiente não variou mais do que 1ºC, ficando na faixa de 25ºC

No segundo teste, o circuito funcionou por 14h consecutivas, sob condições de temperatura iguais ao teste anterior.

No terceiroteste, o circuito rodou por 33h, e a temperatura variou entre 24ºC e 28ºC.

Em nenhum momento durante a execução dos dois testes o circuito foi tocado, e nenhum dispositivo que pudesse causar grande interferência foi acionado durante os períodos de testes.

Resultados Obtidos

Teste 1:

:: Tensão Média: 9,999999107V

:: Tensão Máxima: 10,000036V

:: Tensão Mínima: 9,9999744V

Variação total: 61,6 p.p.m.

Variação em torno da tensão ajustada: +16 p.p.m. / -45,6 p.p.m.

Teste 2:

* Sem o gráfico

:: Tensão Média: 9,999979282V

:: Tensão Máxima: 10,000017V

:: Tensão Mínima: 9,9999389V

Variação total: 78,1 P.P.M.

Variação em torno da tensão ajustada:-78,1 p.p.m.

Teste 3:

:: Tensão Média: 9,999988668V

:: Tensão Máxima: 10,000023V

:: Tensão Mínima: 9,9999389V

Variação total: 84,1 ppm

Variação em torno da tensão ajustada: +3ppm/-81,1 ppm

Discussão

Como pode ser observado nos resultados apresentados, notamos uma variação superior a 60 ppm em todos os testes, o que significa que o sistema pode ser utilizado como referência precisa até a 4ª casa decimal, indicando que pode ser utilizado como referência para multímetros de até 5 1/2 dígitos, de forma não ideal, e com confiança até a 3ª casa decimal, sendo mais indicado para multímetros de 4 1/2 dígitos.

Pode-se atribuir essa grande variação encontrada à montagem, que foi realizada de forma não ideal em uma matriz de contatos e ao fato do isolamento térmico do circuito não estar plenamente adequado.

Os fatores elencados como críticos são provavelmente os maiores responsáveis pela grande variação encontrada.

Na montagem definitiva em placa, o layout da montagem considerará colocar estes dois resistores próximos entre si, de tal forma que sofram as variações de temperatura de forma igual, já que conseguir resistores montados sob o mesmo substrato e de tal forma que satisfaçam as necessidades do circuito, no Brasil, é uma tarefa extremamente complexa, como conseguir resistores com coeficiente de temperatura de 1 ou 0,1 ppm/C.

Propostas para os próximos testes

Os próximos testes serão efetuados com o circuito já transferido para uma placa de circuito impresso e já encapsulado com isolante térmico, com a finalidade de minimizar os efeitos térmicos e de contatos da montagem.

O sistema será posto em funcionamento sob as mesmas condições e os efeitos serão novamente analisados.

Adicionalmente, outra proposta é a de verificação da qualidade do componente em si, desconsiderando as variáveis de circuito apresentadas.

Dessa forma, pretende-se manter as mesmas configurações de polarização, porém, desta vez, o objetivo será a realização da medida da tensão de referência do próprio LM399H e comparar com as variações apresentadas neste teste.