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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

用3458A测试,发现情况不是很好,归一化显示后(每格1ppm),恒流源在缓慢变化:


为了弄清原因所在,用扫描器多探针放到内部测试:



显然,基准没有问题,但分压后的电压与采样电压变化很大,这个插值就是Vos,变化这么大无非就是运放的问题了。一个是共模电压不够,再一个是运放本身不好。把VHP4-8R改成10R,R4=1R改成1.5R,同时换了运放,结果:


最后的电路图:

100mA高性能恒流源的制作与测试

上述低压100mA恒流源,由于采用1节锂电低压供电,在基准和运放的选择上都受到限制,造成性能不是很理想。
为了提高性能,必须采用更高的电压,使得基准可以用Zener,电压高也可以更对电压的变化不敏感。实际制作时,可能要有所侧重,因此可以采取下述三个方式之一:

1、低噪声型
前面低压恒流,LT1012噪声是0.5uVpp也就是0.1uVrms=0.1ppm,而AD780的噪声是3uVpp也就是0.5uVrms也就是0.2ppm,合成后就是0.22ppm了,再加上3458A的噪声,得到0.26ppm已经是不错了。要想进一步减少噪声,首先基准要选好的,比如MAX6350与AD780同为3uVpp噪声,但电压为2倍因此实际为为0.1ppm。如果用LT1000,7V下为1.2uVpp即0.22uVrms也就是0.03ppm;假设采样电阻上的电压为1V,其0.03ppm为0.03uVrms=0.15uVpp,因此运放一定要选择峰峰不大于0.15uVpp的,这样才能让运放的噪声小于基准的。如果分压<1V则对运放的要求更高。这样的运放可以选LT1007、AD8675、OPA227、OP27等。另外要注意,运放的Ib也不能太大了,否则因为Ib变化多端(随温度、随电源电压、随共模电压),会在分压电阻上产生变化的压降。


2、低温漂型
基准用LM399,分压电阻严格匹配,采样电阻精心挑选

3、高稳定型
基准用LT1000,分压用金封金属箔,采样电阻用VHP4


100mA恒流源的应用




如图,四个1欧标准电阻串联接到100mA恒流源上,其中一个是基准,另三个是被对比者(可以有多个)。通过扫描开关分别轮流让高位表读取三个标称0.1V的电压,就可以得到对比结果。如果把被比较电阻放到冷热箱或恒温槽中,就可以测试温度系数。如果时隔1年再来对比,就可以得到长期稳定性。测试中,只要求100mA的短稳好,即在轮流一圈4次的测试中变化很小即可,至于这个100mA恒流源是否准确、温漂如何、长稳么怎样,都没有要求。得到测试数据后,每4个一组以第一个为基准,全部除上一个常数即可。

翻出4个1欧的,其中第一个是L&N托马斯4210-B,还有两个是托马斯4210,最后一个是国产的BZ3:









上图为测试结果。
其中,标准差分别是0.35ppm、0.36ppm和0.34ppm,这样,取100个数做平均值,对比的不确定度就能达到0.04ppm之内(σ=1)。如果对1000个测试值平均,在σ=3下,对比的不确定度仍然是0.04ppm之内。

L&N 4210,在几十年的时间跨度上变化了大约8ppm,每年大约0.3ppm,还算不错。
这个BZ3出厂时是9.99982欧即-18ppm:


现在为-35ppm,变化了-17ppm,时间是(2012-1986)= 26年,平均每年0.63ppm,也算很不错了。

2、一步一步做个电流源 http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content_all.jsp?bbs_sn=3656814
3、Current sources & voltage references http://www.docin.com/p-148630579.html
4、恒流源及其应用电路 http://ishare.iask.sina.com.cn/f/15000863.html?retcode=0
5、Design and Evaluation of a 10-mA DC Current Reference Standard,设计和评估10mA电流参考基准
http://cdsweb.cern.ch/record/643294/files/cer-002399331.pdf

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