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DIY 精密测量用1mA、10mA、100mA恒流源

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

影响恒流源精度的因素
1、 Vref的长期稳定性、温漂、噪声等指标,直接影响恒流源。例如Vref的噪声是1ppm,那么恒流源的噪声也至少是1ppm。
2、Rs的长期稳定性、温漂,直接影响恒流源。例如Rs的温漂是1ppm/K,那么恒流源的温漂也至少是1ppm/K。这里没有谈到电阻的噪声,因为在大多数场合,电阻的噪声都非常小,可以忽略。
3、如果原始Vref比较大,必须分压后才与Rs对比,那么分压电阻的长期稳定性、温漂,也会直接影响恒流源。分压后的公式是Vs=Vref×R2/(R1+R2),其中Vs=Is×Rs,Is就是恒流源的电流。
4、运放的Vos,即失调电压,包括Vos的长期稳定性和温漂,是直接叠加到Vs上去的。例如在Is=10mA、Rs =100欧的场合下,Vs=1V,那么Vos只要变动1uV,就对输出有1ppm的影响。
5、运放的噪声,也是是直接叠加到Vs上去的,计算方法同上。
6、热电动势,也是是直接叠加到Vs上去的,计算方法同上。至于是哪里的热电动势对恒流有影响,那就是Rs、Vs、Vos这个封闭全之内的任何地点,比如下述几个恒流源的红线部分:





也就是说,热电动势的产生涉及了三个元件:Rs、Vs和Vos。Rs如果发热大,则管脚和内部的热电动势就会变得大起来,而运放和基准同样会产生热电动势的,尤其是在有发热、管脚为可伐合金的场合。在布线上,也要注意发热路径和对称性,并尽量采取均热、防风措施。

1mA恒流源的作用和要求

1mA恒流源,主要用在10k电阻的对比测试中。用高位表测试可能有两个缺陷,一个是10k测试大多用0.1mA,压降只有1V,这样热电动势和噪声就比较大;另一个是测试对比是与机内的电阻基准进行,这个基准一般比较差。而DIY 1mA恒流源,就可以解决这两个问题。1mA在10k上为10mW,正好符合计量测试功率标准。

1mA恒流源另外一个用途是Pt100精密测温。Pt100的标准电流就是1mA,而温度是与阻值有精确的对应关系的。测试阻值最常见、的方法就是用恒流源流过被测电阻来检测电压的,而为了精确测试阻值,1mA电流必须精确。常温下每度的温度变化相当于3850ppm,因此要精确到0.01度,就必须让恒流源误差小于38.5ppm了。



1mA恒流源的要求:
1、短稳好,即噪声低,一般不大于1ppm
2、温漂有一定要求。由于是对比使用,要求不会很高,单宁也不宜大于2ppm/K
3、年稳也有一定要求,短期用的可以不大于20ppm/a,做电流基准的要5ppm/a之内。
4、输出电压最高10.2V,这样才能满足10k电阻的要求
5、可以接电感负载、电容负载
1mA恒流源的基本电路

由于电流固定,性能要求高,同时最好简单,因此采用了前言中的电路4的改进型,也是很常见的、成熟的电路:


I1是1mA恒流二极管,尽管性能不是很好,但LT1021-7基准对这个很不挑剔。
运放要选择高精度的,使得Vos对基准的变化贡献小,而Ib也要选低的,1mA的1ppm就是1nA,所以选100pA内的比较保险。
Q1必须是P沟道的,由于功率小,用JFET即可。
C1和R3是消除可能感性负载振荡的,具体参数要视情况而定。

1mA恒流源的制作

先按照上面的电路搭焊一个,其中I1用1mA恒流管,7k电阻微调串联了个6欧电阻(照片为并联),MOS管用了P沟道的JFET。

1mA恒流源的的测试

首先简单测试,电源18V,总电流大约2.6mA。让输出的1mA流过SRX 10k标准电阻的电流引线,用34401A测试电压引线的开路电压(输入阻抗设置在>10G),测试了24小时,一直很稳定,变化几个ppm包含了表的。



精确的测试,要让1mA流过SR104-10k得到10V,再用2×2开关+3458A对比4910-10V,A测试上电过程、短稳和日稳。

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