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DIY高准确度电压基准

时间:2012-10-13??来源:38hot??作者:lymex

第一部分,概述
电子电路的电压基准最早是用稳压二极管,利用了二极管反向击穿后的非常陡的雪崩电压特性来进行电压稳定,比如国产的2CW14。这类稳压管小电压的具有比较大的负温度特性,高电压的具有较大的正温度特性,稳定度和噪音也比较差。但由于结构简单、非常便宜,目前还广泛用于要求不高的场合。
后来国内高精度的场合大量使用补偿的稳压二极管,用正偏二极管的负向温度系数抵消稳压二极管的正温度系数,2DW7C(后来改型为2DW232)是最典型的高精度的,温度系数小到0.005%/C,即50ppm/C。总体精度为0.1%级别的。
再后来,能带隙(Bandgap)集成电路大量出现,比如最常用的LM385-1.2(温漂30ppm/C,电流范围大)、TL431(并联稳压),广泛用于各种电源和电子电路中。另外,伴随着方便且价廉的三端稳压器的大量使用(比如7805,温飘不到1mV/C,噪音大约80uV),使得电源供电水平大大提高。




图1、2,一些常见的稳压管和基准(图上自左向右与表中从上到下对应)
图3,HP3456A 六位半万用表基准板,用的就是LM399类型的基准(LT1826-1249-5)。据说HP3457A(6 3/4位万用表并可扩充到7又3/4位)内部基准与这个完全一样。
图4,从我的HP 34401A(6位半万用表)的维修手册中可以看到,电路图明确标明基准U403是LM399,而元件列表中的生产部件号正是1826-1249。上传的图像?



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第二部分,高精度电压基准器件
但是,作为电压基准,是需要精确保存并复现电压值的,因此要求更高一些,比如:
1、温度漂移要很低,比如10ppm/C以下,甚至1ppm/C
温度是电压变化的大敌,为了对付温飘一般采用两种方法:
A、补偿。有的用电路来补偿,高端的用数字方法,把器件的温度特性记录下来,然后烧到ROM里用D/A输出相反的信号来补偿,可以做到1ppm/C
B、恒温。这是比较彻底的解决办法,大部分用片内恒温,也有的是片内提供加热和感温器件需要外部电路配合。也有的干脆做恒温器。

2、长时间漂移(老化)要小,比如每年不变化不超过100ppm,甚至20ppm以下。而对于普通的稳压器件往往不规定老化指标
解决老化的方法,主要是器件的制作工艺,比如深埋。另外,还要进行老化、筛选和适当的电路。

3、噪音要低。高准确的电压设备(比如高精度万用表)分辨力高,如果噪音大,那么后几位将总在变动。这就象测量河水的水位,但水位一会儿高、一会儿低,就很难测准。

目前用的比较多的高精密的基准大多都是深埋型恒温的,比如:
A、LM399,这个是恒温和稳压一体的,4脚TO46小金属封装,外边套上一个塑料保温罩,比3DG12还要大一些。
LM399广泛用于要求比较高的校准器、电压源和高档万用表里做基准,温度系数不大于2ppm/C(典型0.3ppm/C),稳定度大约每年20ppm,噪音7uVp-p。HP广泛使用的6位半万用表,里面用的就是LM399。
LM399的问题就是工作温度太高而且不可变。由于外界温度接近恒温温度后恒温将失去作用,而为了抗恶劣环境,因此LM399把恒温温度设置到85C-90C。这样不仅功耗大,更重要的是老化严重,噪音也高。温度高带来的热电动势也高。
当然,LM399也是不同的,有不同的厂家在生产,也有LM299、LM199,还有经过老化或筛选的LM299-20(表示1000小时老化不超过20ppm)等,特性也不太一样。

B、LTZ1000,这个是目前最好的器件,是线性公司开发的高准确度基准,采用深埋技术达到高稳定度,同时片内集成了温度传感器和加热器,温度系数达到0.05ppm/C,而且由于控制部分在片外,因此恒温温度可以随意调节。稳定度大约每年2ppm,噪音1.2uVp-p,这个指标可以认为比LM399高了一个数量级,因此主要用于高准确度的标准发生器、电压基准和8位半万用表中。但是,好的器件还要求好的电路和好的使用环境。在HP/Agilent 3458A万用表中,由于出于工作环境的考虑,把工作温度设置为70度,因此特性受到影响,比如老化、噪音、开机重复性等指标都不是太好,以至于本来2ppm/年的基准器件,在万用表的电压稳定度指标上却是8ppm/年!
数据手册:
http://www.linear.com/pc/downloadDo...223,P1205,D3044

C、其它基准
---我的Fluke 335D(10ppm准确度),里面用了德州仪器(Taxas)的一个黑色的体积比较大的恒温基准,没找到资料。
---Datron公司生产的Zn21,电压9.8V,稳定度5ppm/年,国内有人在用。

图1、LM399,早期用4个LM399(其实有两只LM299)组装的电压基准。这个是1997年年初做的,一直是我最好的标准,当时独出心裁想弄4个搞并联,增进稳定并减少噪音。后来在2000年到2003年,国内杂志上发现有用LM399和类似基准4只进行并联的报道。


图2、早期做的“冷”基准。分别用LM329AH、LH0070-1和LM369DN,为了减少温度漂移,采用微功耗设计。电源变压器的空载电流只有5mA。这个基准的最大优势就是不用预热,开机就可以用,并且由于不发热,使用很长时间也不漂移,并可以互相参照。


图3、Fluke 335D内部基准


图4、LTZ1000,等待使用。


图5、HP/Agilent 3458A八位半万用表内部基准板,也是采用LTZ1000上传的图像


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