38度发烧友论坛--38Hot Volt-Nuts 仪表 基准 工具 电子爱好者专业论坛

搜索
查看: 25717|回复: 76

100V基准

  [复制链接]
发表于 2011-8-13 12:18:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
100V的用途
主要是校准和对比。校准高位表表、校准发生器;
100V的互相对比,1000V过渡。
 楼主| 发表于 2011-8-13 12:18:40 | 显示全部楼层
100V的要求
10V是主基准,电压适中,容易做,无论是传递还是做基准,要求都非常高,Fluke 732B是2ppm/年,温漂0.05pm/K。
对比之下,100V的就比较低,比如每年5-10ppm就很不错了,温漂也相应降低。

当然,100V电压高,从安全性上要求更高一些。
comp.gif
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:18:45 | 显示全部楼层
电压基准IC的分类

100V基准里,离不开基准IC,而不同的基准IC其特性相差很大,到底哪些适合做100V,不妨我们先看一下。

分类1,按照内部工作原理分
简单温补型稳压管型,电压6-7V,性能一般,价格相对便宜。例如国产的2DW7C、2DW232。
2DW7C.gif

带隙型,bandgap,例如LM385-1.2、TL431,利用了两个不同的恒流源的压差的电流是负温漂的原理,与正温漂的电流补偿,1.23V下取得零温度系数。性能一般。
bandgap.gif

深埋稳压管型,噪音、老化等指标很好,是基准的主力。有简单的温补的,例如例如1N829,但更多的是与放大、补偿等做在一起,内部电流固定,因此噪音相对大一些,例如LM329、LM399、LT1021-7。当然,也有灵活性非常强的LTZ1000超级基准,也有LTFLU-1这样的Ref-Amp。
深埋.gif

最后还有一种就是倪本来书里提到的链式JFET基准,其实就是利用JFET恒流源在电阻上产生固定压降,声称具有早已低、老化小的特点,但现在看没啥好的商品,除了有一个性能不太好、饱受争议的ADR293:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=3353

分类2,内部是否带有电压变换(升压、降压)
深埋稳压管型的,只有6.3V附近的性能最好,带补偿的6.9V,带隙的1.235V。
但实际上基准往往需要2.5V、5V、10V这样的电压,这样就有很多基准内部增加了电阻+运放进行升压。
不带升压的,例如LM399、LT1021-7,输出就是原始的7V,性能最好。LM385-1.2也是不带升压的。
带升压的,噪音、老化等指标要差一些,因为有运放引入噪音,有比例电阻会恶化性能。
带升压的基准非常多,所有2.5V、5V、10V的可以说都是被升压过的。


分类3,内部是否带有放大
稳压管本身输出电流小、输出阻抗高,带放大的就可以降低内阻、提高输出。
带放大的基准,例如LM329、LM399、LT1021-7,输出阻抗很低,但内部稳压管电流也固定了。别看诸如LM399的输出电压也是6.9V附近,貌似一个稳压管,实际上内部是有源的,否则其内阻也不会那么低:
LM399-.gif

不带放大的,例如2DW7C、1N829
升压、降压的自然带放大。

  
分类4,恒温与否
基准的温漂难免,尽管很多基准采取多种方法进行温度补偿,但也就能做到1ppm附近。要其再高的,只能用恒温的方法。
LM399是内部带有恒温的,LTZ1000是内部带有恒温检测和加热器,但不完整需要外部配合。
当然,恒温的不低碳,启动时间也慢,现在除了传统的激光调整温度系数的方法外,也有数字调整的。


分类5,工作方式
并联型的,大部分为二端器件,也有三端的,驱动最好为恒流,或者是用电阻接到更高的电压上,但要求稳定。另外,有负载的场合可能电压有影响,输出电流不大,优势是简单、天然短路保护。简单的稳压管都是并联的,LM385-1.2是一个典型的并联2端不可调器件,TL431是典型的并联3端可调器件。所谓并联,是说基准与负载是并联的,负载电流越大则基准的电流越小。
shunt.gif

串联型的,三端器件,类似三端稳压器,只不过更精密。
series.gif
所谓串联基准,是说基准与负载是串联的、电流基本相同,负载电流越大则流过基准的电流也越大,基准用的电流也越大。

高精度的基准IC用串联型的比较多,但有不少基准IC,既可以做并联方式使用也可以做串联方式使用,例如LT1019、LT1021-10、LT1021-7、LT1031、LT1236、LM369、AD780。

当然,无论二端还是三端,都可以有其它的管脚,例如用于补偿、微调。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:18:54 | 显示全部楼层
100V的产生办法

100V的电压较高,很难有一个现成的100V基准。
要产生100V的输出,一般都要具备至少120V的电源(含合计)。用脉冲、电感等从低压得到高压的方法不推荐。
如何得到精确稳定的100V呢?常见就是串联法和电阻(+运放)升压法。

电阻升压法
这个方法与常见的7转10类似,也是电阻串采样,运放放大+输出。
基于的基准,可以是7V,也可以是10V,但最好是7V的原始基准,10V已经被升压一次了。
采样电阻,可以用塑料块统计,也可以用金封统计,也可以用别的,但电阻往往是最影响性能的。
运放,由于难于找到高压的,因此一般采用三极管扩压法。
这种方法的优势是电路简单、节省成本,但升压后的100V不会好于原始的基准,而且其性能大部分取决于升压电阻串。
AN-86里面有一个电路,是一个“程控的”电阻升压电路,可供参考,其中红色下划线的就是分压电阻串:
AN86+-100V.gif

电阻串用了Vishay 的VHP100,当然非常好,成本也很高,LTC1152性能也很强(RR稳零),运放后面的一大堆东西就是扩压的,上下对称。
Q1及三个电阻(50k、510、330)接成一个共射反向电压-电流变换器,每伏大约25uA;Q3接成射随;Q5、1k、27提供过流保护(运放的常规做法);1M和1N4148用于减少交越失真。
当然,这是个双向的、任意电压输出,因此用了反相器法。反相放大的方式不太适合单一的100V,否则需要负的10V了。单一100V可以改成同向放大。

再看一下Fluke 335D的框图:
diag.gif
里面有个公式我重新写一下:
Eout = Rsample * (Emaster / Rrange)
其中后面括号里面的就是15V的主基准加到Range Cal电阻上流过的电流,这就是设定电流,在100V档时,这个电阻是150k,因此电流0.1mA为固定,该电流也完全流过Sample String(取样电阻串,也就是前面板操作的7个旋钮,范围是0到1M),所以输出电压就与这个电阻串成正比,范围从0V到100V。当档位改换成1000V的时候,改电流变成1mA(电阻15k),因此电压可调范围就是0-1000V了。
dia.gif


电阻升压法性能分析:
长期稳定性 = 基准的长期稳定性 + 采样电阻串的长期稳定性
其中运放、热电等,一般可以忽略,就不再体现。
例如基准2ppm/年,电阻串3ppm/年,则100V基准为5ppm/年(不考虑抵消问题)
如果采用VHP之类的金封,那么100V的年稳有望做到3ppm之内;

温漂的公式也是一样的:
温漂 = 基准的温漂 + 采样电阻串的温漂
采用超级基准的话,温漂可以做到0.05ppm/K,电阻串需要仔细选择和匹配后才能达到类似的指标。

另外还有噪音:
噪音=基准的噪音+运放的噪音
电阻的噪音很小可以忽略,超级基准的噪音大约0.2ppm,其它优质基准大约0.6ppm,运放的噪音如果选自稳零的话大约0.1ppm,合计0.3ppm到0.7ppm。


串联法
串联方法,具体看起来,也有稍微不同的几小类:
1、二端简单稳压管串联
比如用2DW7C,或者1N829。
非常简单,体积小,性能差,不好微调。另外,这些管子也不是很便宜,除非用普通稳压管,但那样性能太差了。

2、三端并联稳压IC接成二端进行串联
比如用TL431,电流1mA即可,老化参数不清楚,温漂能做到15ppm/C之内。
很简单,价格也不贵(本来TL431非常便宜但需要40个串联),体积小,可以微调。


3、二端优质稳压IC
可以采用上面提到的LT1021-10、LT1031、LM369等,具有电路简单、性能优良、可以微调等特点。
串联100V.gif

以上的所谓简单,是因为可以把所有的管子都串联起来,统一用一个恒流源供电。另外,这些串联方法都具有输出不怕短路的天然特点。

4、三端优质稳压IC
也就是串联型稳压IC,常见的很多,例如AD587、AD588、REF102。
一般用10V10个串联,但每一个都需要自己的独立的隔离的电源,因此比较麻烦。另外,这种方式的短路保护不太好办。性能上当然还是不错的。

5、超级基准串联
这是能想到的最好的100V,用14个超级基准,每个平均7.143V,需要独立供电。

串联法的性能,一般是非常好的。原因之一是直接用基准输出,原因之二是多个具有统计效果,噪音下降为根号N分之一(N为串联数量),长期稳定性和温漂也因为抵消的原因可以降低。
长期稳定性,大约为单个基准的1/2
温漂,大约为单个基准的1/2甚至1/3
噪音,大约为单个基准的1/3
可见,串联法能可以得到相当好的性能。当然,串联方法也有自己的弱点,比如输出电流小、负载调整率不高。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:19:34 | 显示全部楼层
商品的100V基准

似乎很少,我只知道MI的这个:
1000A-1-100V.jpg

1000A-1-100Vspec.gif
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:19:42 | 显示全部楼层
100V基准的DIY

1、矿坛的sst用13只TL431串联,做过100V:
http://www.crystalradio.cn/bbs/viewthread.php?tid=78850
1.jpg

其中0-25V直接用TL431串联,而25V以上的3个25V,每个用1只TL431加上电阻和微调做的。那几个电阻其实也很关键的,没说用的什么。
2.jpg


2、lmserver的100V,7V直升
http://bbs.38hot.net/read.php?tid=3571


电阻串用的是塑料块统计,做好了也是很不错的。
lms.jpg


3、lilith的100V,采用电阻升压法
http://bbs.38hot.net/read.php?tid=6818

4、hydz冒险做的100V基准,采用串联法:
http://bbs.38hot.net/read.php?tid=10659
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:19:46 | 显示全部楼层
自己的DIY1
采用lmserver的板子


自己的DIY2

采用10个基准串联的方法。
Sim.gif

变压器:德国二手230V变2×12V、3.75VA
电源:从24V次级4倍压整流,得到130V
稳流:两级场效应管,提供1.4mA,调节电阻和管子使得初步获得0温度系数点。
稳压管:10只LT1021-10串联,选温漂能互补的。
外壳:120m×97×55.5型材铝
接线柱:4个国产。其中公用0V一个、10V一个、100V一个、外壳地一个。
做法:其中第一个10V选择温漂尽量小的,并带有微调,也同时引出10V输出作为额外功能。另外9只IC,有一只具有微调功能的,用于调节100V。
DSCN0852s.jpg

性能分析:
温漂,通过选择匹配,使得管子单独温漂的合计值达到3ppm/C之内,这样总体就是0.3ppm;
初始偏差,控制在10ppm之内,即1mV之内;
噪音,每个IC自身0.6ppm,通过串联可以达到0.2ppm,是单个的超级基准水平了。
从仿真结果看,尽管倍压整流后的纹波比较大(峰峰22V),但绝大部分被Q2所吸收了,而真正用于调整的Q1,其电压已经被稳压一次,再进行恒流,就非常干净了。这种二级串联的恒流方式,在倪本来的《高稳定电源》一书里有描述。
输出阻抗,实测每个管子0.48欧,10个串联后有5欧,在10M的电阻下有0.5ppm的变化,不算很好,但可以纠正。

DSCN0858s.jpg

DSCN0868s.jpg

DSCN0865s.jpg

实际制作中,与电路图比有以下区别:
1、倍压滤波电解电容用了180uF
2、恒流用了三级,第一级是K373二只并联(承受高压),第二级为K246(Vp比较大,可以给最后一级以良好的工作点),最后一级为J111。
其实要有合适的管子,2级足够。第一级要求耐压高,Vp在5V-10V合适,Idss最好是5-10mA。由于第2级的工作点就是第一级的Vgs,由于Vgs < Vp,因此那么小的Vp不能给第2级提供良好的工作点,因此Vp要大。
第2级别Vp最佳范围是1.2V到1.5V,Idss为5-10mA,因为这级是提供零温度系数点电流的,Vgs=Vp-0.66V,太小的Vp没有零温度系数点,而且电阻上的电压也太小。太大的Vp则电流不够大了。
3、R1用了720欧,这个与所用的恒流管密切相关,这个电阻使得恒流电流1.5mA,同时满足1.5mA*720=1.08V,比夹断电压小0.66V,工作在零温度系数点。
4、10V的微调电位器用了500k,并串联一个100k的电阻,实际调节时也很灵敏
5、100V的调节放到了第5位置,电位器用了200k,串联电阻用了50k。
6、没有用C7,因为LT1021手册里不建议用
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:19:52 | 显示全部楼层
测试结果


从上电之前开始采集,用ACAL的3458A持续了1.5小时
test1.gif

结果总结评价
上电特性:10分钟内进入1ppm,这个不错了,但冷基准不知道为什么开始会波动大,单独测试每一只LT1021-10的时候,也发现开始加电电压高,然后在1、2分钟的时间没逐步下降的状况。

短稳、噪音:0.048ppm,相当不错。这对于100V来讲就是4.8uV,非常小了。那个10V曲线比较差,是因为也是用100V档测试的,噪音也是4.8uV,因此估计这个与表有关,说不定短路测试也小不了多少。

温漂:约-1.5ppm/K,不算好。当然,100V曲线一直向下,不一定是温度的原因,也有可能是3458A在变化,但最可能的原因是基准刚做好,需要一段时间才能稳定下来,飘几个ppm属于正常。

初始偏差:大约3ppm,不大,两个电位器分别调节10V和100V。

长期稳定性:无数据。需要过几个月甚至1年才能知晓。

负载调整率:10M下0.5ppm。通过并联900k电阻电压下降5ppm推算出来,等价为输出电阻4.5欧,因此平均每个IC为0.45欧,这与以前的测试相符。

电源调整率:可忽略

功耗:约2W,原边电流24mA。

外壳温升:大约1.5度。

2011-8-16再次冷热箱测试,温度系数大约-0.6pm/C
50V对比.gif
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:19:56 | 显示全部楼层
参考资料
1、Fluke 335D Instruction Manual

2、倪本来,《高稳定度电源》
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2011-8-13 12:20:24 | 显示全部楼层
保留1贴
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关于我们|Archiver|手机版|38度发烧友 ( 粤ICP备14041877号-2 )

Powered by Discuz! X3.3 © 2001-2012 Comsenz Inc. Designed by 999test.cn

声明:论坛所有内容均由网友个人自主发表,并不代表本站立场。相关内容仅供参考,由此造成的人身伤害或财产损失均需自行承担。

  

GMT+8, 2020-8-5 06:35 , Processed in 0.192501 second(s), 26 queries , Gzip On.

快速回复 返回顶部 返回列表