SZA263/LTFLU-1的原理和外围器件

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第一部分，基准IC

SZA263/LTFLU-1是Fluke定做的高性能稳压基准IC，广泛用在Fluke的各种万用表、校准源、电压基准中作为核心器件。从一开始就被Fluke叫做Reference Amplifire或者简称为Ref Amp、Ref-Amp、REFAMP，翻译过来就是参考放大器。


曾经一度被误认为这器件是Fluke自己生产的，误解的原因是Fluke自己隐喻过，而且别的厂家也根本没有用过同样的东西，再加上很少有人拆解高级基准看内部。实际上，SZA263是Fluke早期向Motorola定做的，甚至是独家的排他的，即同样的器件不可以被标记成别的型号再由Motorola出售了。


那么Fluke为什么向Motorola定做？也许很简单，一个原因Motorola是名家，另一个原因是人家已经有了同样的产品。查很早以前的Motorola目录（1967 zener diode hand book），有个基准芯片叫MCA19124N，外观、封装、特性与这个RefAmp几乎完全一样：http://www.febo.com/pipermail/vo ... ptember/000077.html

从最早Fluke 1969生产的343A的电路图中可以看出，就用了参考放大器：


此时的基准芯片是DH71005A，Fluke已经叫它Reference Amplifier。

从1969的335A精密电压校准源可以看出，当时是用了分立的Zener和补偿管：

这个电路，实际上就是常见的串联稳压器的基本电路而已


到了1972年生产的335D，Fluke也改成了参考放大器，是德州仪器生产的




这个335D的某款，后来被自定义拆了出来，结果被证实就是SZA263。这至少可以说明，335D在设计的时候，就采用了SZA263兼容的基准：



大约在1970年，Fluke生产了最早的单个电压基准731A（之前或者同期还有4个一组的730A），里面用的也是这种4脚金封基准：



由于731A没有资料，更没有电路图，因此只能对照电路板画出。该基准上面有一个被箭头穿过的字母P，侧面的型号是DH80417B，找不到生产厂家，也没有数据手册，但应该与341A/343A里面用的DH71005A出自同一厂家。



由于731A的性能不好，很快被淘汰。而1974年的731B，正式采用了向Motorola定做的SZA263，然后一直用到大约1992年（因为1991年的732B还是用的263，而1993年的就不用了）。

731B中夹在金封电阻中间的早期SZA263，有M标志

到了Fluke为之骄傲的恒温电压基准732A，就直接称呼Ref-Amp了



后期并且现在仍然在产的732B，也仍然叫Reference Amplifier，只不过缩写成Ref Amp或REFAMP。




因此，参考放大器不是Fluke生产的，也更不是Fluke首创，只不过Fluke用的比较多、比较成功而已。到了大约1992年，Fluke向Linear公司定做了LTFLU-1。显然，LTFLU = LinearTech + FLuke，而且Fluke同样与LT有类似专售协议。LTFLU-1与SZA263的电性能类似，管脚兼容，都是4脚金封，内部结构为一个深埋的稳压管串联一个三极管。

Aeon两长脚LTFLU-1，左边的怀疑是打过标的，LT标志连在一起

其中，基准的输出是b和z之间，是一个稳压管串联be结，其中稳压管具有大约+2.2mV/C的温度系数，而be结具有-2.2mV/C的温度系数，因此，这就是所谓温补基准。从这个意义上看，这基准与1N928、2DW7C、2DW232等是一样的。只不过串联的是三极管不是二极管，可以放大，其作用将在后面看到。



这基准有两个典型的用法：
一个是恒温型，恒温温度可以选择40度到45度之间，体积小一些便于操作，温度系数可以做到很小。老化指标主要取决于两个关键的分压电阻
另一个是非恒温，特点是电路简单，直接出10V，而且耗电很少（<5mA），适合做用电池供电的携带式标准。

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第二部分，案例观察

1、首先，看看经典的Fluke 731B的电路



731B是Fluke一款比较早（如果不是最早的话）但也很成功的10V固态基准，生产量比较大，性能不错。现在在eBay上经常能见到，成色不错的甚至100美元之内可以拿下。
10V指标是30ppm/a，很保守，尽管后来有文献说改到了15ppm/a，但根据分析和我对3个731B的测试，仍然有比较大的余量，实际老化大约在每年5ppm左右。
输出除了10V以外，还有1V、0-1mV（d，以1uV为步进）、1.018V+d、1.019V+d、，因此，电路的输出部分比较复杂。由于我们主要关心10V，因此删掉无关电路部分简化如下：


这样看起来就清楚多了，而由于731B电路的典型性和后续众多继承性，有必要在这里看一下。
TP1和TP2是10V输出，U2就是SZA263。最关键的两只电阻就是R7=6.2k和R8=11.42k用的是金封。
R4=1.27k，这样算下来，流过稳压管的电流是2.5mA。
U1与Q1是误差放大型稳压电源的主要器件，其中CR2是电平位移用的稳压管，否则要求U1输出太高而不可以，除非采用RR运放。
CR1是恒流管，替代电阻给Q1提供工作点，与电阻比，优势是起始电压低、后续电流平稳。如果采用电阻，那么为了应付较低的工作电压，电阻要选得比较小，但那样的话电源电压一高上去，多余的电流就必须由运放吸收，造成运放过热、调整率不好、耗电增大。而采用0.5mA的稳流管，足够给Q1提供偏流，起始工作电压可以低达11.25V，而且在较高的电压下（例如18V）都不会影响性能，因为过高的电压都被CR1和Q1吸收，CR1吸收高压后只少许提高了电流这对于U1没有啥负担，而Q1在高阻的集电极吸收了电压后也仅仅提高了几毫瓦的功率、对Vbe有少许改变，这对于U1的调节能力比起来更是可以忽略了。
Q2与R2B组成限流保护，当电流超过0.5V后Q2开始导通，逐渐短路Q1的be造成U1分流，使得最大输出电流限制在8mA附近（=500mV/62R）。

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2、其次，看看另一款经典的732A的电路
732A是继731B后在80年代初生产的，不仅注重1.018V，更加强、突出了10V，旨在建立一个10V固态电压基准的标准。事实上，732A非常成功，不仅卖到全世界（比如我国很多，作为省一级的电压基准），而且也作为了Fluke公司的内部基准。




从电路上看，尽管只显示出一部分，但与731B相比，可以看出几乎是一样的，甚至连关键元件的符号、阻值都没改变（U2、R2、R3、R4、R5、R7、R8）。这主要说明了该电路的成熟。当然，732A主要的改进是把很多不很关键的元件都用上了金封电阻，稳定性指标开始是6ppm/a仍然趋于保守，后来改成了3ppm/a。


  
图中，R5=118k，R6=26.7k，R60=787欧，因此，集电极电阻合计为145.487k。


为什么同样都是金封，体积有大有小呢？
高精密电阻，决定体积的最主要因素，不是功率，也不是阻值，而是稳定度。
同样的阻值要求，假设截面积大一倍，那么需要长度也长一倍才能有相同的阻值，这样体积就增大到4倍。经过简单的计算得知，此时电阻丝的表面积仅增大到2.8倍，因此就更能耐受外界的变化，所以就更稳定。也正因为此，标准电阻的体积都做得很大。
所以从上面的内部图上可以看到，最关键的R7和R8体积比较大，其它的几个电阻（也是金封的）就比较小。

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3、最后再看732B的。732B是后期生产的，现在Fluke仍然在产、仍然是国际上流行的固态电压基准。

从电路上看，增加了很多电流取消电路，大部分元件变成了贴片元件，缩小了体积，但很多元件缩水严重，这个时候的Fluke变得不厚道起来，在元件缩水、成本压低的同时，老化指标更新成了2ppm/a，这很夸张了，因为无论Fluke自己的测试（有文献），还是笔者对5个732B的长期测试，很多达不到的。



去掉不必要的部分，简化如下：



可以看到，基本的部分仍然没有任何变化，只不过符号换了，个别电阻的阻值改变而已。另外，运放也从金封的LM308AH改换了贴片的OP97F。










大约92年以后，核心稳压芯片逐渐从SZA263换成LTFLU-1

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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。

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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，thy888有一段话：
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thy888的经验，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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第五部分，电路改进

其实很简单，如图，R4用R1和R2替代，减少一个电阻。


R4的作用仍然不变，提供给基准的电流仍然是2mA多，运放负输入的分流很小可以完全忽略。
改动后，总数量减少了一个电阻，同时也减少了两个容易出问题、容易不稳定的大电阻。
另外，U4内的三极管的工作点更加一致。按照以前的电阻，不同的稳压电压则Vbc差别很大。例如当基准为6.55V时，Vce=1.02V，但当基准为6.95V时，Vce就只有0.62V了，变化了40%。而进行这项改进后，电压只从1.15变成1.02V，只变化了11%。
同样的分析可以得知，改进后由于R1或R2的变化而导致的基准电压的变化也响应减少为1/3。

最后，也许还有人问，就用这个简化电路，能用吗？
可以的，性能上没有任何妥协，反而因为电路简化会有益处。缺陷主要是短路保护是靠运放自身的限制电流来达到的，限制输出电流不可调。另外，运放供电也不能直接用10V了，而是必须直接用12V。如果自己用仔细一些，这个电路是完全可用的。根据mytek的经验，运放上并联的电容起稳定的作用，不可缺少。

事实上，运放-输入所需电压可以取自主分压，这样还可以减少一个电阻，形成最简263电路：

2009-9-28补充：
承蒙vvipi今天对这电路用Multisim做了仿真，弱化系数的结果如下：
R1：-813
R2：-320
R3：-255
R401：+3.0
R402：-3.1
可以看到，这一结果与前面我测试的结果一致，R1弱化大是因为简化了电路，是好事。



另外，晚间Jambalaya也对类似的电路进行了仿真，其中R401和R402取的标准值，这样输出电压稍微超过10V，结果类似：
R1：-811
R2：-334
R3：-212
R401：+2.8
R402：-2.8
第2部分表格，是减少R1和R2使得流过稳压管的电流增大到5mA，但保持比例不变，

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第六部分，实际组装

先放一个Aeon用263制作的电路板



还有thy888做的263板
  

thy888两个豪华版LTFLU



thy888的采用VHD200的紧凑型恒温基准

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第七部分，杂项

到目前为止，我国还没有正式的 固态电压基准检定规程。目前只有一个军用的GJB 2212-1994，很落后的东西。2008年终于立项编制《固态电压标准》国家计量检定规程，2009年年初完成“征求意见稿”，2010年下半年征求意见完毕并修改成“报审稿”，目前处于等待审批中。上面提及的三个文件可以在这里下载：https://bbs.38hot.net/thread-4782-1-1.html

在征求意见稿里，介绍了固态基准的两种类型：


但在后来的报审稿里，尽管文字部分没有改变，但原理图已经把Fluke专用的参考放大器删掉了




参考资料：
1、固态电压基准 https://bbs.38hot.net/thread-4-1-1.html
2、常见稳压器件特性比较表 https://bbs.38hot.net/thread-6-1-1.html
3、电压基准测试系统 https://bbs.38hot.net/thread-829-1-1.html
4、thy888之 用SZA263试验制作超稳10V电压基准（二）https://bbs.38hot.net/thread-4838-1-1.html

lymex

[全文完]

llycom

认真听课ing!

bgqjm

grn

接着学习，等下文。

yjm2000

我的LTFLU还没到手,这样看来做个用电池的10V基准还是不错的!

轩尼诗

aeon

目前最好的两个电压基准零件：LTZ1000 跟SZA263.看来老大都玩个透了。

ymz38

认真学习，O(∩_∩)O谢谢老大。

zzaming

SZA263,没看到有人卖二手的..

yjm2000

引用第17楼zzaming于2009-03-14 17:45发表的  :
SZA263,没看到有人卖二手的..

二手的不知道，团购的第一批没赶上，现在等第二批！

jackrao

引用第18楼yjm2000于2009-03-14 17:47发表的  :

二手的不知道，团购的第一批没赶上，现在等第二批！

啥时候第二批，可得在这里通知一下啊！

zzaming

团购在哪里公布的...

yjm2000

第二批早订购了，就等收货了，说是本月20号以后！

zoo

帖两个SZA263/LTFLU-1的管脚定义图，是888公布的哟！
这个是顶视图。就是看着丝印的字体那样定义管脚

lymex

是Ae公布的

jackrao

大约多少钱一个？

lymex

20多元一个

zoo

上学时没弄明白的东西现在终于明白了！其实挺简单。

lymex

引用第26楼zoo于2009-03-19 14:20发表的  :
上学时没弄明白的东西现在终于明白了！其实挺简单。

哦，上学居然能学这个？

yjm2000

估计他说的是稳压电路！

tmzdxz

好教材！谢谢！