DIY高准确度电压基准

jabtmzpo

（作者bg2vo）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 六位半万用表内基准板，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

jabtmzpo

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

jabtmzpo

第三部分，计量部门用的最高级的固态电压基准
电压基准最早用硫化镉（饱和）标准电池，标称电压1.018V，稳定度普通好一些的10ppm/年，更好的1ppm/年，而最好的控温标准（10只组）可以达到0.1ppm/年。标准电池的弱点是对温度变化敏感，不仅温度系数大（40ppm/C），而且一旦温度变化后，电压的变化有滞后且很难恢复，因此需要长期的高稳定度、高准确度的恒温。另外，标准电池不可倒置，怕晃动，因此不便于携带运输。
国际上80年代、国内90年代开始大量采用固体（半导体）标准，具有体积小，电压高（10V），携带运输方便等特点，准确度达到1ppm之内，好的（久经考验的、多组的）可以达到0.1ppm之内，短期特性更好，因此广泛做为地区标准和传递标准使用。之所以采用10V电压为基准，是因为10V附近的电压的质量最好，也容易测量。

90年代后国际上电压基准采用了约色夫森结（JVS），这是一种低温量子效应的自然基准，只要有条件就可以独立复现，准确度达到0.01ppm甚至更高。由于价格昂贵、运行费用高，因此一个国家也没有几套，主要做原始基准来校验各种次级标准。正因为JVS的出现，标准电池作为保持电压的基准的作用大大削弱，而固态基准的短期稳定性好，便于运输传递，因此标准电池日见淘汰。

目前计量单位广泛采用的固态基准有：
（这些基准都是10V为主，尽管有1V或1.018V，但为分压输出，指标差）
A、英国Datron公司的4910/4911/4912，4ppm/年，内部基准应该是其自己开发的Zn21，9.8V，5ppm/年。应用范围不详，二手市场偶见。

B、美国Fluke公司从1983年开始生产的第一代老基准，732A，稳定性3ppm/年（老的732A为6ppm/年）。我国曾进口很多，作为国家、各大区级别的电压基准，目前仍然在用。国际上用的也很多，但现在逐步被更好的基准淘汰，因此二手市场常见。Fluke公司自己的电压标准就从1984年切换到4只732A保存（后来大概有更新）。我自己本来想进个二手的，但发现这东西体积庞大（深度650mm！重量12.3kg），因此做罢。

C、Fluke公司的第二代基准，723B，1992年发表，稳定性为2ppm/年，现在仍然在生产，报价7万多，体积比732A小了不少（深度406mm，重量5.9kg），而且可以4只成组，年稳定性可达1.2ppm，国内也进了不少组。
无论是732A还是732B，其基准元件都是采用自己开发的深埋补偿型稳压管，通过内部的恒温槽来保证所需要的运行条件。并把其它关键器件（参考放大器、分压器）也密封在恒温槽里，这样的系统对温度变化尽管不敏感，但需要长时间通电保持（否则，断电恢复差异可达到0.5ppm之多），因为其基准器件也工作于高温，经受不起冷热的变化，使用条件比较严格。

D、Fluke的第三代基准7000系列，最早是Wavetek公司收购Datron后利用其49xx系列的技术于1998年开发7000系统，根据所配的数量（单：7000M，四个：7004N，十个：7010N）指标为1ppm-1.8ppm/年不等。这系统采用的核心基准器件就是LTZ1000，而且工作在相对低的温度：45度，所以对掉电不太敏感，而且采用所谓“退磁”技术，能够大部分恢复掉电前的状态。
2000年Wavetek被Fluke收购，这个基准就带了过来成为Fluke的了，而且基本没有改动。这个系统体积比较小（深度290mm、重量2.1kg）。同时带过来的还有其8位半的1281万用表，这个本来我看好了深圳一家二手的，但找人去买的时候发现是坏的！Fluke在英国把1281改造成了目前世界顶级的8位半：8508。以前Fluke还真的没有自己的8位半万用表。

图1、Fluke早期的732A，在其基准实验室，估计是在做基准、做测试、做老化、做样子。

图2、二手市场上的732A。价格一般700USD左右

图3、Fluke后期的732B，4个松散组合成734A，报价27万到35万。

图4、5，Fluke最新的7000系统，单个价格5万多，最多可以10个组成一套系统（紧密组合）上传的图像



  

jabtmzpo

图6、Fluke近期的电压基准实验室。前景稍微模糊的大罐子是约色夫森结基准，架子上还有10多个732A，而右下角部分已经被更小的732B替代了不少。
架子上边有一套7000系统，右上角是低热电动势多路开关。


图7，10V固态电压标准比较表。
（后面给出LTZ1000的典型/理想值，以及我自己的目标）上传的图像

jabtmzpo

第四部分，我自己的计划

A、以LTZ1000为核心，至少做10块相同的独立的电路（板），每块实现LTZ1000的最佳表现，组合起来达到更高的要求。按照统计原理，4个组合可以把稳定度和噪音指标提高1倍，9个组合可以成3倍。

B、采用低温恒温，35度到40度之间，因此老化更小、噪音比指标还要好、掉电特性良好。
（甚至可以采取常温恒温，即恒温在25度C，用半导体制冷/加热一体，以便取得更好的性能）
温度漂移：0.05ppm/C（厂家指标）
老化2μV/sqrt(kh)（厂家指标）（折算后为1.0ppm/年以下，9个组合后0.5ppm/年左右）
噪音1.2μVp-p（厂家指标）（组合后0.4μVp-p，如果再加上降噪电路可进一步减少）。

C、用PhotoMos做一组开关，利用计算机 + USB-GPIB接口 + 3458A + 自编软件，进行自动参数测试
PhotoMos是一种性能优良的光电器件，类似光偶，有人叫光继电器。一边输入一个很小的直流电后，点亮了内部的LED，另一边有串联成组的光电池，把光转变成电压，驱动双向VMOS管，则电路导通。VMOS管具有开路漏电低（典型不到10pA）、开启后成阻性而无残压、导通电阻比较低的特点。有一款AQY212比较适合，导通电阻0.83欧。


图解过程。
鼻祖文章片段，1990年出自剑桥大学，LTZ1000出来不久后的测试结论。可以看到，温度越低则稳定性越好。更主要的是，这个器件在相对低的温度下不怕频繁启停，而且老化也非常低，大多在1ppm/年之内。这篇文章还包含了比较系统的测试方法。上传的图像




原始电路图（关键元件要求）
这个电路来自LTZ1000的数据表，电路并不太复杂，很多元件都是LTZ1000内部的，关键元件为R1到R5，其中R1和R4/R5最关键，每100ppm的变化会导致输出1ppm的变化，而R2和R3就不那么严重。实际上，通过我的测试（附图补充中文部分），R1变化对系统影响不大（只有原说明的1/7），R3的变化也非常小（1/7），但R2的变化影响就超出原来的说明。因此，3458A万用表的基准，R2采用了普通电阻属于失策。没想到厂家的数据不仅没有任何余量，而且实际情况还要糟糕很多！
而我在实际应用中，很关键元件选用RJ711，关键与比较关键的选线绕，不关键的R3我也选了线绕（实际完全可以选0.1%金属膜的）。上传的图像




步骤1，面包实验板电路，验证用，已经完成使命。通过实际装配和测试，得到了核心器件的随各种外界条件（环境温度、恒温温度、电源电压、绝热情况）稳定性等关键指标，也通过改变外围器件，确定了这些器件到底在什么程度上影响总稳定度。


这个电路由于受接触电阻、接触电动势、元件选择的影响，一个月来稳定度大约是10ppm。

补充表格：输出电压最大和最小的差别为0.11mV，为15ppm，但那是发生在初期，大概是测试条件不是很理想（比如3458A的预热时间不够），到后来也很稳定了，每日变化大约1ppm，10天的变化3ppm。
再补充表格：各电参数变化后对输出的影响。有些如厂家所言，但还有一些与厂家数据出入较大。上传的图像
  

jabtmzpo

步骤2，万能板焊接，指标测试用。面包板的接触并不可靠，而且具有接触电动势，也不能模拟最终焊接时的实际情况，因此，这一步是必需的。通过测试，发现热噪音还是稍大，主要还是绝热不好，同时焊锡的热电动势大。因此，改造了布局，同时找到了低热电动势的焊锡的配方并制作完毕。通过对元器件的进一步测试，发现与手册上给的有较大出入，这个通过在面包板上的电路的复试也得到了确认，以此指导关键元件的定做，而不关键的地方则可以采取普通元件。


这个电路由于受到焊接电动势、个别元件选择以及没有绝热的影响，半个月来稳定度大约是3ppm。


补充表格，看电压变化。第一部分为稍微高温的，因此总电流20mA左右，10天变化正负2.5ppm。第二部分是降低了温度，因此电流也减半，5天稳定度正负2ppm。
应该注意，这个2ppm是基准与万用表的相对差异，因此也包含了3458A的变动或不确定度，而且大部分测量时，万用表并没有进行自动校准（ACAL，做一次需要18分钟）。


再补充三张图，增加了10V输出（电路板、读数、电路图）。
运放采用OP27EZ，其中E是最高等级的，失调电压典型10uV，最大25uV，变化不超过每月0.2uV，温飘典型为0.2uV/C（即0.03ppm/C，相对于7V而言）。
分压电阻串，上面采用10k两只（0.01%）并联成5k，下面为10k（0.01%）、2K（0.01%）、15欧+15欧（0.1%）串联，其中一个15欧并联了可调部分（200欧并500欧后，串联500欧可调）。其中4只0.01%电阻的温度系数是筛选匹配的（到0.1ppm/C）。
假设对10k要求是1ppm，那么对2k要求就降低为5ppm，对15欧的要求仅为700ppm，对可调电阻的要求就是7000ppm=0.7%了。上传的图像

jabtmzpo

步骤3，制板并定做。用protel se99画的电路板，一共做了30块板，花了140元（其中开板费60元，加工费80元），比我想象的便宜，10天后到货。想想看，这板子的制作工艺还是很复杂的，钻不同位置、各种尺寸的孔，腐蚀，做金属化的透孔，上漆，印刷字母，等等。即便是数控床子，这些过程总要有的。可以看出，电路还是让我改了不少。比如电源电压从15v降低到9v（实际测试，9v时表现完全一样，因为只有运放和三极管直接用电，由于采用低温，则加热器也不需要那么高的电压了），增加了c6滤波，增加了一个补偿输出，r2和r3也采用定制的高稳定线绕电阻（75k），电路板打圈孔以便均温等。


元件的老化和筛选。元器件都是在生产出来开始使用时老化最厉害，越用老化就越小。因此，有意的提前老化就可以解决以后漂移大的问题。加温和冷冻循环是最常用的老化方法，实效法（就是长时间放置）也很有效但太费时了。以前参观过慈喜的陵墓，说是所用木料都是XXX木，而且都要存放数年以上，这样的建筑才不会变形。老化前先做记号，通过老化后改变很大的可以剔除掉，老化后特性还是不太好的也进行剔除。但核心器件LTZ1000就只能先老化，其特性的变化太小了，只能先装上电路，再慢慢测量了。
以下是定做的部分电阻。其中最贵的是黑色的方型的0.5W的RJ711，26元/只，温度系数<5ppm/C。而那两只白字的稍小的是Vishay的样品，大约150元/只。
其它都是线绕电阻，温度系数都要求是<10ppm的，有好几个类型温漂不满足都退了货。
最下面的一管就是PhotoMos继电器，开路漏电实测<5pA，导通电阻<1欧（驱动电流1.2mA时）。

第2张图为xxx书中对RJ711的描述，第3张为RJ711实物，第4张为两只Vishay的10k和两只RJ711的10k的对比（L=0.01%）。
最后一张为Vishay的电阻结构图，前半部分电阻体是白色的隔离空间是黑色的，可见右边的调整区（从最大的19%到最小的0.0005%）。后半部分电阻体是黑色的隔离空间是白色的。这种调整方法干脆（要么通要么断），不会像砂轮割槽那样会产生变化。
RJ711的定购厂家为济宁正和：
http://www.zhengheele.com/cp_1.htm上传的图像

jabtmzpo

参考，3458a内部基准另一个方向，可以看到采用了三个高稳定度、低温飘（<2ppm/c）的vishay电阻。可惜的是，70k的r2和r3是普通电阻，而且这里其中一个可以采用普通电阻。vishay这类电阻非常厉害，最好的达到0.05ppm/c，最差的也是保证2ppm/c。我曾经想买一些，寻过价，最少定50只，每只41美金。

2006-11-30补充图3、图4，拆了一个rj711，在显微镜下看看内部。
可以看到光刻排列，黑色的是电阻体，棕色的是露出的基体（不导电部分）。
可以看出，下面一个大环实际上与上面对应部分并联，把这个大环刻掉，就只有单个电阻了因此增大了总电阻。大图中可以看到8个环，其中三个被刻掉。
表面特性不好，是因为上面有一层防水胶。其实再上面还有一层软硅胶已经剥离（左下还留有部分）。

jabtmzpo

2006-11-17进度。
今天板子到了，下班后取了回来，晚间做装了10块板，全部一次通电合格。
1、30块板，是鞍山一家做的，一共140元
2、元件准备。其中高精度的几只电阻需要测试温度系数并配对。
3、成品板
4、成品板
5、成品板放大图。其中一个电阻需要精细调整后确定（自己用线绕），不想焊接再拆，因此用线暂时短路。

jabtmzpo

在高准确度的电源中，噪音是不可忽略的一项指标。
噪音有的用某频段（常用0.1hz--10hz）的峰峰值来表示，单位是uvp-p。也有用噪音功率密度来表示的，单位是nv/sqrt(hz) 或者nv/(hz)^(1/2)。
噪音大的，在高准确度的万用表上，可以看到末尾几位数总是不稳定。
下面是一组测量结果，可以看到，几个电源基本上是10倍、10倍的差别。

ss-330w，daiwa开关电源，4-15v、30a，10000ppm级别（1%）
vc3050dw，胜利实验电源，0-30v、0-5a，1000ppm级别（0.1%）
zzdm，东明电子邮购稳压电路板，15v输入二次稳压，100ppm级别（0.01%）
it6122，itech 高稳定度电源，0-32v、0-3a，10ppm级别
ltz1000，自装电压基准，0.5ppm级别

不稳定的原因可能多种，比如电源电压变动、电路、干扰和噪音、基准不稳定、负载变化、热+温度变化等。这里的不稳定估计主要是电源电压的变动。到了最厉害的ltz1000级别，因素就是基准和噪音了。