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SZA263/LTFLU-1的原理和外围器件

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex
   

第三部分,原理分析

其实,上述几个基准的电路中,由于商品化的原因,所有的电路都不便于探讨,还是自己手画一个。
(注意:这是个简化电路。实际组装时至少要在运放的输出部分要加一些元件)

 U4是基准,其基极和地之间为稳压管和一个be结的补偿输出,这个电压也呈现在R402上,大约为6.55V到6.95V之间。这个输出通过R401/R402的比例放大后,形成10V。
可以看到,这个电路其实与典型的分立元件稳压电源非常类似。如果以前对这样的电路有过了解,将很容易理解这里的电路。

 R4是给稳压管提供工作电流的,由于10V是稳定的,因此这个电流也是稳定的。由于U4的be大约是0.55V,因此稳压管的电压是6.0V到6.4V之间,所以R4的电压是3.6V到4.0V,电流为2.4mA-2.7mA。

R3是给U4中的补偿三极管提供电流的,电流不同,则Vbe具有不同的温度系数。通过调节这个电阻,可以设置补偿的0温度系数点。因此,这个电阻的变化范围可能很大,从几十k到几百k。由于R3比较大,再加上三极管的放大倍数,因此其Ib就很小,为0.1uA级别。这不仅使得老化和温度影响很小,也使得在计算R401和R402的分压比时可以把这个电流忽略掉。
另一方面,调节R3进行温度补偿,是一种综合温度补偿,最终要看10V的输出的。因此,实际上所有的因素都补偿了进去,如果调节好,最后的10V温度系数就很小。

R1和R2对10V分压后为7V,这是给U4的三极管建立了电压工作点,通过运放的反馈,使得其集电极的电压也保持在7V。这部分可以看成是一个电桥。

以常见的方法进行动态描述:假设10V输出由于负载原因有少许下降,那么通过R401和R402的分压后,U4的基极电压下降,通过三极管的反向放大,其集电极电压将上升,也就是运放的正输入上升,因此其输出(也就是10V)会上升,这样就补偿了外界原因引起的10V的下降。

那么有人会问,既然可以通过调节R3找到零温度系数点,那么为什么还需要恒温?
事实上,Fluke最高档的设备其基准都是恒温的。非恒温的尽管可以是零温度系数,但为相对的。
一个是相对于时间。今天是零温度系数,明天可能变了,因为老化。
另一个是相对于温度。在某个温度下是零温度系数,但在另外温度下就不是了,因为曲线是弯曲的。仪器工作温度范围往往还很大。
最后,补偿是有限的,即便能补偿200倍,那也就是把本来温度系数的2.2mV/C补偿到10uV/C,对于10V也是1ppm/C,也是不够的。从thy888等人的实际装调试验中,也可以看到,找0温度系数点是非常麻烦的,很难调节到0。所以,要想得到类似0.05ppm/C的温度系数,必须恒温。第四部分,外围器件的影响测试和外围器件的选择

首先,看看什么叫“抑制比”
所谓抑制,就是说电路对某个电阻的变化有抑制作用。比如当某电阻变化了50ppm,但输出只变化1ppm,说明有50倍的抑制,这50就是抑制比。用这种表示方法是很方便的,比如对输出要求1ppm,某电阻有200倍抑制比,则这个电阻的变化就不能超过200ppm。

测试是对自己的第#3号731B进行的,测试的方法是在原有的电阻上并联一个大电阻,这样就少许改变了电阻阻值,通过测试输出的变化,就可以计算出抑制比来。实际测试和计算过程略,这里只给换算成我自己改进前电路的最终结果:
电阻,抑制比
R1,+340
R2,-340
R3,-250
R4,-450
R401,+3
R402,-3

再次说明,“R1,+340”的意义是,当R1变化了+340ppm,10V输出变化+1ppm。或者说,当R1变大了0.034%后,10V输出变大1ppm。因此,这个数是越大越好。因此,这个数值也叫做弱化倍数。

可以看出,R1和R2对电路影响不很大。要求输出1ppm的情况下,允许变化340ppm,这相当于年老化0.034%,或者在温度系数为25ppm/C的情况下允许变化10多度,这样,采用线绕电阻就可以了,比如0.01%或者0.02%的。尽管图中R1、R2阻值比较大,但完全可以成比例的改小。如果有条件可以用金属箔(比较奢侈),没条件可以用好一些的0.1%金属膜。0.1%金属膜的温度系数也都能在25ppm/C,这样对整体的温度系数贡献就是25/340=0.07ppm/C也不算很大。

R3,这个电阻往往阻值比较大,而且不同器件还不一样,因此就较关键,最好要用线绕,能用金属箔最好,否则难于满足250ppm的指标(对于1ppm的10V要求)。这电阻由于不同器件不同,因此根本不能统一制作。在Fluke 731B里面,处理的很简单,是两个小电阻的串联,其中一个还是非常差的碳质的,比较败笔:

 而732A就厉害得多,用了个118k的金封线绕!尽管可调性因此补偿后温度系数不很好,但由于恒温,因此没关系了(这也是恒温所带来的优势)。稳定更重要。

 有关R3的选择,
秘诀:集电极电阻决定了温度系数,该值对263和LTFLU是不同的,电阻大于某一值是正温度,小于某值数负温度的。调整合适的值可以到0温度,具体就是找转折点,可以比较容易实现10微伏一度,个别的可以到3微伏一度(0.3ppm/C)。
调整的方法,可以用一个烙铁加热的保险管端部接触263的管帽,同时监视表的读数,变化最小为止。
调整得当后,即使这么高的温度加上去,变化也不会太大,人体温度触摸加热,变化非常小,34401A动2个字以内。
一批的263取值差不多,集电极电阻要细化到1K的步进值。


R4,这个阻值比较小,抑制比也比较大,因此,一般线绕就可以。731B里面用的是非密封片线绕,而732A里面仍然用的是金封线绕。同样,有条件可以用金属箔(比较奢侈),没条件可以用好一些的0.1%金属膜。

R401和R402,是关键电阻,抑制比仅为3非常小,也就是说,电阻变化3ppm对输出就有1ppm的影响。而3ppm对于电阻是一个严峻的考验,最差也应该是金封的(比如Fluke 6.2k和11.42k,电阻是10ppm的只能保证3ppm),这样才能被认为是严肃的基准
从731B开始,到目前的732B,Fluke一贯采用金封的6.2k和11.42k,以至于目前二手市场上经常能见到这两个阻值的金封,这就给我们DIY提供了很方便的条件。

 实际上,SZA263是早期产品,基准电压偏低,根据我自己对三个成品基准的内部测试,平均电压为6.53V,这样比较适合采用6k2和11k42,同时要在11k42上串联一个固定电阻(一般为180欧)和调整电阻,就可以达到升压到10V的目的。但是,后期产品LTFLU-1电压偏高,平均为6.92V,这样再用这对电阻就不合适了。如果保持其中一个电阻不变,算上调整电阻,合适的电阻对为11k42和5.15k,或者是13.75k和6.2k。当然,5.15k或者13.75k很难找到,更难配对。从目前能找到的Fluke金封来看,选25.013k和11.42k比较合适,或者24.987k、11.104k,这几个电阻能从拆机的金封里找到。至于电阻大了一倍、电流减少使得可能增大干扰或者Ib比例增大,没有问题。

另一方面也要看到,Fluke金封的老化做到6ppm已经达到极限,匹配和很难,因此Fluke自己的732B的指标很多达不到就是这两个电阻在起反作用。若要提高性能,可以考虑采用金封金属箔,例如VHP202Z,可以从指标上保证6年2ppm的老化,大大优于金封线绕。

 

 另一个可选的方案是采用VHD200电阻分压网络,两个元素封装在一个外壳中,一致性还是有保障的。VHD200比VHD144高一个等级。

 

 
根据经验,263的外围电阻,如果采用了类似RX70的国产线绕,那么由于里面的线是螺旋的,相当于线圈,在交变磁场作用下就会感应出电压,这是很不利的。所以,用线绕的地方,尽量要搞好磁屏蔽、远离磁场,变压器要漏磁小的。

总之,除了两个关键电阻外,其余的电阻要求不算高,抑制比都在250以上,甚至用0.1%的金属膜都可以。对比LTZ1000的电路,其中有两个电阻的抑制比是接近100,因此SZA263的电路要好做一些,或者用差的元件也能够取得不错的效果。

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