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标准电流 Standard Current

时间:2012-10-19  来源:38hot  作者:lymex

Bob后来又初步讲了一个现代的1A电流源:

模式从共地改成共源(负电源的)。
用LM341(其实就是78M05)给基准和运放提供5V;
基准用高精度低噪音带隙LM4140-2.096V;
运放用LMV2011,高精度低温漂。加了两组RC防振;
输出管子用了IRF511。1mA、10mA、100mA短稳恒流电源

首先看一下一篇有名的文章“Design of a 10mA DC Current Reference Standard”里面的电路。这电路的最大特点,是声称取得了1ppm的10mA恒流源
Design of a 10mA DC Current Reference Standard.pdf (243 K) 下载次数:156



其中,电压基准就是我们已经习惯了的LZ1000,用统计电阻转成10V。然后,用运放、场管和一个特殊制作的10k电阻,把10V转成了1mA。因此,假设我们只需要1mA,这个就是个成熟方法。
最后,利用镜像原理,再利用统计电阻,把1mA转变成10mA。
第一个7转10的统计电阻网络我们已经很熟悉,这里终于说明是用TaN(氮化钽)膜电阻。
10k参考电阻没有详细说明,只知道是Vishay做的、近0温度系数的多芯电阻。要知道,这文章是2002年的,当时Vishay有这样的电阻?
最后这个1:10的电阻也更没有说明,估计是1k和100欧,电压1V。
其中1k有可能是5个200欧串、100欧为2个200欧并。或者1k有可能是2个500欧串、100欧为5个500欧并。

其实,这种方法对于业余实现有难度。作者声称,该电源不仅短稳定好,更重要的是年稳能达到1ppm。依我看这个指标很难达到,因为采用同样技术的10V也才是1.8ppm/年的指标,怎么可能再经过两个环节,突然变小到1ppm了?

由我来重新设计,则直接从7V分压成1V(需要一对比例),再用一个100欧电阻就可以出10mA了。这样节省很多,因此性能应该更好。100欧的电阻,当然首选VHP202Z,这个100欧的已经定了一段时间快到货了。看这个电路,一定要比原来的好。基准设计原则之一:简化。




同样,对于1mA,一样的简化方法,也利用1V分压,把电阻换成1k,同时输出。

场管怎么选择?
只要栅极漏电小(一般都能满足)、可以让运放工作的N沟道增强型管就可以,大电流的可以选功率MOS管。但MOS管输入电容大,容易振荡,可以用FET+BJT复合管。

那么运放如何选呢?
首先,对于1ppm的恒流源,Ib最大值不要大于恒流电流的1ppm,因为Ib这东西可能变化比较大。在确认变化比较小的场合下,要选择变化量不大于主电流的1ppm的1/4,对于1mA的就是要Ib变化<250pA。
其次,Vos的变化要小于采样电阻电压的1ppm,假设采样电压是1V的场合,1ppm就要求Vos的变化小于1uV的1/4,而对于0.1V则就是0.025uV了,这对运放是个严峻的考验。常见的高精度运放比如OP177F、AD707B/C/C/K,只能保证每度不超过0.3uV,能找到的最好的也就是0.1uV/C典型值,这就很难了。因此,在此种情况下就要选自稳零运放了,比如采用经典的LTC1052,每度0.01uV。最好的AD8629/8,可以保证<0.02uV/C。
最后,还有噪音。0.1V的采样电压,运放的噪音要0.1uV以下才能达到1ppm,自稳零运放的低频噪音刚刚够。

有人问:运放本身可以输出10mA以上,能否省略场管?
答案是不能省的。原因之一,运放如果输出大电流,会发热,而一发热就引起性能变坏,比如Vos和Ib的增大,因此,高精度的前级运放应该尽量运行在平稳的、小电流的工作状态下。另外,场管有自然恒流作用,因此在大范围电压输出下,需要调节的范围很小。没有了场管全靠运放主动调节,需要运放大幅度输出,性能变差。最后,运放直接输出电流不要衡量了,与电源电流难于分开。用场管的话其漏电在大部分场合下可以忽略。

上面看到了1mA、10mA的长期稳定电源。如果只追求短期稳定性,那么可以不考虑老化问题,只考虑温度系数问题。由于短期稳定主要在于各元件的温度系数小、噪音小。

当然,如果能同时考虑老化,那么短稳恒流电源就能成为长稳恒流电源,就能够作为真正的电源基准了。

采样电阻的选择
对于100mA恒流源,标准的采样电阻是1欧,这样功耗10mW、压降0.1V。如果用1V基准了,则电阻功率将达到100mW,这比较大了,除非采用超低温漂的大体积电阻,否则温升引起的漂移和热电动势将难以承受。我自己由于有个很好的Vishay金属箔全密封1.25欧,因此我要分压成0.125V(7.125V用7个1k和一个125欧),用另一套运放+场管同时输出。当然,由于这个电流比较大,电源用5V就够了,同时上面应该有个开关,不用100mA的时候可以断掉。


另一方面,采样电阻过小也会有很大问题,包括:
1、热电动势的影响大,0.1V,满度若有0.1uV就是1ppm了,而热电动势会因气流波动,造成低频噪声
2、对运放的精度要求高,例如Vos老化、Vos的温漂都成问题,
3、运放的噪声影响就很大了,因为运放噪声都是折算到输入的,正好与采样电压叠加。0.1V的采样电压如果有0.1uV的噪声也就是1ppm了,这样的运放也难找。
所以,在对噪声和稳定度有较高的场合下,采样电阻要适当加大,以牺牲温漂的方式来取得平衡。大电流
(这部分已经独立成帖,在此:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=10230

20A以上,甚至10A以上,就可以称为大电流了,因为,普通的万用表测试不了。普通的分流器可以有很大电流的,以下几个算比较小的了,精度等级都是0.5级的

最左边1号是30A,1×5mm=5平方,载流6A/mm2;
2号是20A,1×7mm=7平方,载流3A/mm2;
3号是50A,2×直径3.6为20平方,载流2.5A/mm2;
4号是100A,1.5×17.3mm=26平方,载流3.9A/mm2。

这个大家伙,是1500A,也是0.5级的


但这里讲的大电流,并非只是大,而且要稳定、准确,0.5级也就是0.5%,远远不够的,一般要达到0.005%,也就是50ppm,才能叫标准电流。

因此无论是大电流的产生,还是大电流的测试,都需要特殊的方法。

计划:10A、20A、50A和100A电流发生,甚至具有200A和500A扩展能力。

用途:测试分流器、小电阻。通过自循环,达到寻找高精度小电阻、高精度大电流的发生和测试。

电源:
电流发生1:采用锂电池组(单体多个并联)
电流发生2:采用Vicor电源模块
电流发生3:采用成品大电流电源

输出:0-1V就可以,因为只给分流器等计量用,所以不需要较高电压,因此功率并不很大。

调整管:用几十个(例如30)VMOS管并联,这样元件取材容易、制作其实也不复杂。

采样电阻:很关键,先用成品的分流器,然后通过测试逐步换成更好的。采用先并联、后调整的方式,用引线做均流。

目标精度:0.01%或更好。

电流的检测:与电流的发生同等重要,所以发生与检测的采样电阻,还有类似措施,都应该是一样的好。

策略:通常采用分流器的方法,会有一些困难。主要是大电流的势必阻值要小,而小阻值的电阻很难做好。另外,大电流的分流器发热严重,这样引起较高的温升,加剧了不稳定性。为了改善这两个问题,采用的对策是:
1、多个采样电阻并联。小电阻并联好做(而高阻最好用串联)
2、小电压检测,用3458A的100mV档(年差9ppm)或纳伏表34420A的10mV档(年差40pm)。

其它测试方法:电流比较、霍尔器件、光纤

恒流源的应用
1、标定。例如上述10mA标准恒流源,就是提标定准服务的。可以反向背靠背对比,也可以通过倍率把10mA标准电流转换到其它档位上
2、温度传感器的测试、检测、标定。比如对RTD的检测,需要精确、恒稳的mA级电流,通过检测电压得到电阻值。这个恒流源甚至要求比高位表电阻档的还要高
3、测试电阻,例如1欧,需要100mA的恒流源,这样其功率才不会超过10mW。
4、校准,送给万用表,看表的电流档偏差多少。这个有点大材小用,而由于表的范围宽,恒流源也不能直接提供
5、

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