DIY高准确度电压基准

时间：2012-10-13 来源：38hot 作者：lymex

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

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。