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DIY 精密测量用1mA、10mA、100mA恒流源

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发表于 2012-3-11 17:36:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
前言
顾名思义,恒流源就是恒定电流输出的电流源,也就是无论负载如何变化,或者其它因素如何变化,输出电流都保持恒定的意思。
当然,这是个理想情况,实际上恒流源也都有自己的最大输出电压,外接因素变化都需要有个范围,而实际与理想的差异,往往就决定了恒流源的指标
1、恒定电流范围
固定的还是可调的,最大输出电流是多少
2、输出电压范围
比如是否从0电压输出就可以恒流,最大输出电压
3、输出动态阻抗
即输出电压改变后,电流变化多少
4、温度系数
温度每度改变,恒流电流变化%多少或者多少个ppm
5、噪声
本底噪声、相对噪声都是多大的
6、长期稳定性
也就是恒流电流随时间的变化特性,基准恒流源或计量用的对这点要求较高
7、设置的准确性
8、、、

恒流源的用途,可以是信号级别的,提供恒定电流的激励,也可以是电源级别的,在负载变化时提供恒定电流。


恒流源的原理上看,电流很难自己独立产生,的确有一些器件是电流型的例如恒流二极管,但特性很差。因此,好一些的电流都是要根据电压和电阻来产生,公式就是I=V/R,而电压和电阻都有很精密的元器件。这样,从理论上说,一个精密的电压和一个精密的电阻,就能确定一个精密的电流;同时,这个电流的各项指标,例如温漂、噪声等,直接取决于这个电压和电阻,计算方法就是直角三角形的斜边与两个直角边的关系,当然还要加上运放的特性(如果有的话)。对于变化的恒流源,很可能是用电阻在大范围内变化(换档),而用电压的变化来小范围调整。对于固定的恒流源,这个电阻可能不是一个,需要匹配。这样,无论一个恒流源的电路多么复杂,总会至少有一个基准电压,至少有一个电阻,决定了这个恒流源的大小。电压可以写成Vref,电阻可以写成Rs,这里的s就是sample的意思,Rs就是采样电阻,因此可以有Is = Vref / Rs。


恒流源的具体实现方法,有好多电路,例如:
1、二端恒流器件
例如恒流二极管,加上电压后,只要超过一定值,电压基本恒定,这样就可以简单的用电源/电池实现恒流。二端恒流器件有简单的参数型(例如白炽灯泡曾经被作为恒流),而现代更多是采用场效应管、有源器件来做。
2-FET.gif



2、浮动电压基准型
用一个运放加一个稳压管,可以方便的实现恒流。而若采用类似LM385-1.2这样的特性不错的稳压管,就非常方便。尽管这个电路基准悬浮,但负载是接地的。
263M2.gif



3、浮动负载压控型
压控恒流有时很好用,方便调节,控制电压可以由DAC来产生。
用一个运放加一个采样电阻就可以实现,但负载是浮动的,所以应用面会受到限制。
V2Ip.gif



4、采用运放+三极管(或JFET、MOS)的压控恒流源
这是经典的电路,简单而高性能,但输出是共源不共地的。用MOS管的话输入电容大容易振荡,用BJT的话Ib大影响精度,而JFET+BJT复合管则很好的解决了这个矛盾。R2=10k选择不同的,可以改变运放稳态输出电压。R1就是电流采样电阻,输出电流 = Vin / R1。
opamp_14.gif

有时为了让输出共地,要牺牲压控特性,把基准接到电源上去(实际从电源向下也是可以压控的,但难做),比较适合固定电流源:
电流源.gif


5、只用运放的压控恒流源
这种电路比较复杂,但比较好用,因为控制电压和输出电流都是共地的。
单运放的,主要是这种改型Howlland电路,原理上看是借鉴了差分放大器的,需要两对匹配电阻:
Howland modi2.gif

其中要求,R2/R1 = (R4+Rs) /R3,恒流电流为UI / Rs。
这个电路恒流原理证明如下:
Ua=2Uc=2.00Ud
R3电流=(Ud-1)/100k=R4电流
Ub=Ud+99k*(Ud-1)/100k=1.99Ud-0.99
Ua-Ub=0.01Ud+0.99
因此Rs电流=0.01Ud/1k+0.99/1k
因此RL电流=Rs电流-R4电流
=0.01Ud/1k+0.99/1k  - (Ud-1)/100k
=100/100k=1mA
这个1mA电流与负载电阻RL无关。

但经常被使用的是双运放的改进型,特点是可以方便的、大范围的换档改变电流:
Improved Howland follower.gif


影响恒流源精度的因素
1、 Vref的长期稳定性、温漂、噪声等指标,直接影响恒流源。例如Vref的噪声是1ppm,那么恒流源的噪声也至少是1ppm。
2、Rs的长期稳定性、温漂,直接影响恒流源。例如Rs的温漂是1ppm/K,那么恒流源的温漂也至少是1ppm/K。这里没有谈到电阻的噪声,因为在大多数场合,电阻的噪声都非常小,可以忽略。
3、如果原始Vref比较大,必须分压后才与Rs对比,那么分压电阻的长期稳定性、温漂,也会直接影响恒流源。分压后的公式是Vs=Vref×R2/(R1+R2),其中Vs=Is×Rs,Is就是恒流源的电流。
4、运放的Vos,即失调电压,包括Vos的长期稳定性和温漂,是直接叠加到Vs上去的。例如在Is=10mA、Rs =100欧的场合下,Vs=1V,那么Vos只要变动1uV,就对输出有1ppm的影响。
5、运放的噪声,也是是直接叠加到Vs上去的,计算方法同上。
6、热电动势,也是是直接叠加到Vs上去的,计算方法同上。至于是哪里的热电动势对恒流有影响,那就是Rs、Vs、Vos这个封闭全之内的任何地点,比如下述几个恒流源的红线部分:
10mA-own-emf.gif
opamp_14emf.gif

电流源emf.gif
263M2emf.gif
也就是说,热电动势的产生涉及了三个元件:Rs、Vs和Vos。Rs如果发热大,则管脚和内部的热电动势就会变得大起来,而运放和基准同样会产生热电动势的,尤其是在有发热、管脚为可伐合金的场合。在布线上,也要注意发热路径和对称性,并尽量采取均热、防风措施。

(本帖正在逐步更新中。。。。。。。。)
 楼主| 发表于 2012-3-11 17:36:46 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-2-11 13:16 编辑

1mA恒流源的作用和要求

1mA恒流源,主要用在10k电阻的对比测试中。用高位表测试可能有两个缺陷,一个是10k测试大多用0.1mA,压降只有1V,这样热电动势和噪声就比较大;另一个是测试对比是与机内的电阻基准进行,这个基准一般比较差。而DIY 1mA恒流源,就可以解决这两个问题。1mA在10k上为10mW,正好符合计量测试功率标准。
为什么用1mA恒流源方法而不用其它方法?其它方法包括:
1、万用表直接测试,这个误差大,新校准不久的8位半也很肯呢个有2ppm到5ppm的误差;
2、电桥法,比如著名的esi 242D,10k对比精度0.2ppm,但操作复杂,这种电桥也很难搞到;
3、DIY半桥法,需要一个稳定电源,用一个稳定电阻串联被测电阻,高位表读数。此法的问题是灵敏度比较低;
4、有源臂半桥法,同上,但用另一个10V基准把读数表垫起来,这样对表的要求会大大降低,6位半即可。

1mA恒流源另外一个用途是Pt100精密测温。Pt100的标准电流就是1mA,而温度是与阻值有精确的对应关系的。测试阻值最常见、的方法就是用恒流源流过被测电阻来检测电压的,而为了精确测试阻值,1mA电流必须精确。常温下每度的温度变化相当于3850ppm,因此要精确到0.01度,就必须让恒流源误差小于38.5ppm了。

对1mA恒流源的要求:
1、短稳好,即低频、超低频噪声低,一般不大于1ppm,最好不大于0.1ppm
2、温漂有一定要求。由于是对比使用,要求不会很高,但也不宜大于2ppm/K
3、长期稳定性没有要求,但如果兼做电流基准的话最好要做到10ppm/a之内。
4、输出电压最高10.2V,这样才能满足10k电阻的要求
5、可以接电感负载、电容负载
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:08 | 显示全部楼层
1mA恒流源的基本电路

由于电流固定,性能要求高,同时最好简单,因此采用了前言中的电路4的改进型,也是很常见的、成熟的电路:
1mA.gif

I1是1mA恒流二极管,尽管性能不是很好,但LT1021-7基准对这个很不挑剔。
运放要选择高精度的,使得Vos对基准的变化贡献小,而Ib也要选低的,1mA的1ppm就是1nA,所以选100pA内的比较保险。
Q1必须是P沟道的,由于功率小,用JFET即可。
C1和R3是消除可能感性负载振荡的,具体参数要视情况而定。
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-2-11 13:24 编辑

1mA恒流源的制作

先按照上面的电路搭焊一个,其中I1用1mA恒流管,7k电阻微调串联了个6欧电阻(照片为并联),MOS管用了P沟道的JFET。
P1110285s.jpg


这个电路测试了一下,基本没有问题,只是噪声感觉有点偏大,因此重新画了电路图,更改了基准,以地为参考,采取以下几项措施:1、基准用超低噪声的2.5V的LTC6655B,让输出电流噪声尽量低;
2、基准供电用稳压,排除电池电压变化影响;
3、由于第一级稳压的输入电压足够高,需要的电流也不大,直接从输入端串入一个LED。
4、电源采用4节18650串联供电,电流消耗:基准5mA、运放2mA、输出1mA,合计8mA,3200mAh的电池可以连续使用半个月;
5、运放用AD707AH金封,特点是各项性能都不错,比如Vos温漂、Ib、噪声等指标均比较高;
6、2.5k的电流采样电阻用了4只10k的塑封金属箔,以便温升小、短期稳定度高。
3-sch3.jpg

制作完毕后的内部和外部
3-inter.jpg

3-exter.jpg




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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-2-8 22:25 编辑

1mA恒流源的的测试

首先简单测试,电源18V,总电流大约2.6mA。让输出的1mA流过SRX 10k标准电阻的电流引线,用34401A测试电压引线的开路电压(输入阻抗设置在>10G),测试了24小时,一直很稳定,变化几个ppm包含了表的。
P1110295.jpg


用3458A测试,让1mA流过SR104-10k的电流端子,从电压端子得到10V,连续采样100个的噪声(stdev)不超过0.04ppm: 4-test1r.gif

再用2×2开关+3458A对比两个SR104,曲线很稳定,标准方差也不到0.04ppm:

5-ex1.gif

即便随机取100次的测量结果,标准方差最差也就是0.1ppm,因此平均值的标准差就是0.01ppm(除上根号100)。即便按照最保守的估计,按照观测此时12次计算,平均值的标准差要除3.3(根号11),那结果的标准方差就是0.03ppm,因此由统计分析得到的A类不确定度为0.06ppm(k=2),这就是保守估计的1mA+3458A电流法的对比不确定度。

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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:28 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-1-26 12:12 编辑

1mA恒流源的使用

配合扫描器,1mA的恒流源一次可以测试多个10k电阻,包括测试各自电阻的内部温度。
为啥要测试内部温度?因为很多条件下不具备恒温控温能力,电阻的温度随环境温度而变,而电阻都有温度系数,不同温度下电阻也不一样。为了能够对阻值修正或者测量电阻的温度系数,就需要精确的了解其内部的温度。由于用扫描器可以同时测量多个标准电阻,而各电阻由于结构的不同其内部温度也不完全一样(变温时滞后不同),这样用一个温度传感器就不能同时测量多个电阻的内部温度,需要每个电阻有各自的温度测量孔、插入自己的温度传感器。

SR104内部具备10k的Cu温度传感器,其组织与温度的变化很线性,每度0.1%。即23度下10,000欧的话,24度下就是10,010欧。这样,用多路扫描器同时测量这个传感器,就可以精确的得到电阻内部的温度。
那么对于那些没有温度传感器的标准电阻呢?完全可以自己加上温度传感器,用Pt100就行,这种传感器常见、稳定可靠,正好其标准测试电流也是1mA。
1mA恒流源法配合高位表10V档扫描测试10k标准电阻和内部温度.png

图上只标了3只标准电阻,用了6路四线扫描,实际路数可以随意扩展,每个标准电阻需要2路。
标准电阻和温度传感器都需要四线连接,电流端子流过1mA电流,电压端子用高位表读取电压,高位表首推3458A这种10V线性和短稳好的。
Pt100电阻与10k比很小,没有关系。比如100欧在1mA的电流下只有100mV左右,但高位表的精度和分辨摆在那里,精确读到0.03mV没有问题,相当于不到0.1度,这已经超过大多数Pt100的精度了。


测量说到家就是对比,就是得到被测电阻与参考电阻的差值。参考电阻有个在标准温度下的参考阻值,环境温度不同可以按照当前温度对参考电阻进行修正,得到准确的参考电阻才好实现准确的对比。
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-2-9 23:00 编辑

0.1mA 和 3mA恒流源
0.1mA主要用在测试100k的电阻。尽管从10mW的功率上看,用0.3mA或30V合适,但30V的电压太高了,电池供电的恒流源不好产生,而且即便出来30V也不好测试。用0.1mA给100k电阻供电后,出来就是10V,直接用3458A之类的万用表的最好档也就是基本档测试。由于100k阻抗比较大,因此做好屏蔽和防干扰是必须的,同时注意表的Ib分流。好在3458A等高位表的Ib大多在25pA以下,对于100uA来讲只有不到0.25ppm,其短期变动就可以忽略了。另外,0.1mA也可以给NTC和Pt1000供电,毕竟1mA对于它们来讲有太大了。

3mA恒流源的目的在于测试1k电阻,此时电阻的功率为9mW,比较接近10mW的标准测试功率,因此电压比较高为3V,接近最高极限,这样测试的时候可以用10V档,而且热电动势的影响达到最低。

类似,3mA恒流源也不需要准确,只需要噪声低、短期稳定即可。

0.1mA的产生很简单,用一个转换开关把原来1mA的2.5k检流电阻切换成蓝色的AE 25k塑料块即可。这电阻功耗很小,0.25mW,为额定0.25W的1/1000,因此温升只有0.1度。

3mA恒流源的产生更简单:在1mA电流源的基础上,在2.5k检流电阻上再并联一个1.25k电阻即可,这样就增加了2mA电流。增加与否可以用开关切换,这样一个1mA恒流源的外壳通过一个开关就可以变成1mA和3mA两用。做好后的照片如下:
0.1-1-3mA.jpg
实际上并联了两只AE蓝色2.5k的塑料块,标注5ppm温漂,实测选择了两个温漂不到2ppm的,同时用一个黄色的跳线接5mm的低阻插接件。

0.1mA实际测试,用了VHP202Z 99.995k 0.01%的电阻,同时3458A万用表10V档测试引线根部电压,NPLC=50。要注意的是,由于电阻大,干扰也大,需要把电流源和测试电阻等整体放在屏蔽盒里,测试的时候用3458A的交流档,读出干扰电压不超过0.5mV才能测试。
结果,采样100个的标准方差不到0.06ppm,这样A类不确定度就会在0.05ppm之内(k=2)。
0.1mA-testm.gif

3mA实际测试,恒流源接Vishay VH102Z3电阻,也用3458A万用表10V档类似测试,采样100个的标准方差也不到0.06ppm,这样A类不确定度就会在0.05ppm之内(k=2)。
3mA-testm.gif





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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:44 | 显示全部楼层
10mA恒流源的作用和要求

10mA主要用来测试100欧电阻,每个电阻压降1V,功率10mW,可以多个串联,切换对比。
由于10mA不大不小,采样电压1V也很适中,因此适合制作标准电流,那样对长稳要求就更高了。
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:51 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-2-22 21:44 编辑

10mA恒流源的基本电路

基本参考1mA的电路,但基准若直接使用,耗散达到7V*10mA=70mW,比较大了。除非采用较大功率的700欧电阻以利于散热,否则就要把基准分压了。
分压可以考虑:
2:1得到3.5V,采样电阻阻值350欧、功率35mW
5:1分压得到1.4V,采样电阻组织140欧、功率14mW
7:1分压得到1.0V,采样电阻组织100欧、功率10mW
这最后一个所用电阻阻值好,但7:1分压也同样重要,这个分压系数不太好找。一种办法是统计分压,即采用7个2k电阻串联。

电源电压的选择,最低10V即可,只要能提供给7V的基准可靠供电。至于输出电压,有5.5V就可以让5个100欧串联使用(每个1V),而剩余的4.5V可以让MOS管吃掉1V,另外3.5V就是分压后的基准最大值。




10mA恒流电路,比较容易出结果,值得折腾几个不同侧面要求的:
1、快速预热版
快速预热,主要用在移动电流源或电池供电的恒流源上。
快速预热甚至无需预热,很快就可以工作,后续电流变化很小。要达到这个目的,关键元件必须低耗电,比如采样电阻100欧/10mW,基准和运放用低耗电的,电源电压要低。

2、低噪声版
低噪声版,主要用在对比测试,而不是绝对测试上。
要噪声低,必须基准是低噪声的,比如MAX6350。最好的基准是LT1000或者263/LTFLU;
最好不分压,直接用5V或7V。尽管采样电阻功耗大一些(50mW和70mW),但给运放的压力小;
最后,运放要选低噪声的。

3、低温漂、高稳定版
也就是高精度版,主要用做电流基准。
要想高精度,首先要有低噪声做保证。
基准必须低温漂、高稳定,首选LT1000或者263/LTFLU;
分压电阻也必须低温漂、高稳定,需要金封金属箔;
采样电阻最关键,也需要用金封金属箔。
如果不怕采样电阻功率大,可以不分压,直接用原始的5V或7V基准,采样电阻做好散热。

一种简易高性能10mA恒流源
利用Fluke 732B或732A,既用做电源,也用做基准,恒流源的基准用4只同值电阻分压成2.5V,采样电阻用250欧即可出10mA:

10mA.gif

此种方法最大的特点就是简单,逻辑上只用三个电阻、一个运放、一个PMOS管即可。有人问及恒流源的输出级为什么只能用MOS管而不能用三极管?原因是三极管的基极电流有分流。
采样电阻Rs上的电流=(2.5V-Vos)/250,忽略很小的运放Vos后就是2.5V/250=10mA,但这个电流并非流过负载RL的电流,而是会受到两个支路的影响:运放的Ib和输出管的栅极电流。Ib一般很小,LT1012的不到0.1nA,对于1mA来讲都是0.1ppm因此可以忽略,同时要求Q1的控制级电流也不能超过1nA才能使得影响低于0.1ppm。


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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:37:58 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-2-22 23:12 编辑

10mA恒流源的制作与测试

元件选择
分压电阻R1到R4采用蓝色AE塑料快5.005k 4只,初步选了一下温漂比较小、温漂一致的;
Rs用了7只蓝色AE塑料快1.8k并联,再并联一个10k,再并联80k 0.1%加20k可调;
运放选LT1012CH,特点是性能不错、性能比较均衡;
P-MOS选P沟道2SJ307,手边正好有这个,其散热片为塑封,金属部分没有外露,容易安装。
另外,加了二只LED、一个稳压管和一个20k的电阻,作为工作状况指示。
P-MOS管反装到外壳上面,LED伸出到钻孔窗口。
接线柱除了正负输出外还增加了一个地柱。


采样洞洞板焊接,按照732B的接线柱孔位钻孔焊上4颗M4黄铜螺丝让插柱拧入以便直接插在732B上,小铝壳做外壳,外壳钻孔让插柱最后拧入。
1内.jpg
2侧.jpg
3底.jpg
4正.jpg

插到732B上,如果没接负载,则LED显示红色
Red.jpg

当正常输出10mA的时候(包括短路),LED显示绿色
green.jpg


此恒流源的测试经过了以下几个步骤
--测试负载工作范围,用电阻箱做负载,0欧到748欧可以很好的恒流,观察不到恒流电流的变动。
--测试恒流程度,串联了一个100欧标准电阻并采样,另外再串联电阻箱,加入与否600欧,3458A上观察不到任何电流变动。
--测量短稳/噪声,用100欧标准电阻作为负载,用3458A的1V档测量电压端子的1V输出电压;后来也测试了4910的1V输出:
test.gif

方差0.10ppm。这个结果已经超出我的意外了。毕竟用1V档测量4910的1V输出,也表现很类似。
0.1ppm的方差,即便用最早的手工测量方法,测量10次,A类不确定度也能达到0.1ppm(k=3)。

最终电路图
10mA-diag.gif

注意事项
此简易高性能恒流源只适合732B和732A,不适合731B这种输出阻抗高的10V基准。
732B的输出阻抗指标<=1mR,这样输出10mA时电压下降<=10uV,对恒流源的基准影响很小;732B实测输出阻抗0.21mR。
732A的输出阻抗指标<=5mR,这样输出10mA时电压下降<=50uV,不过,我实测732A的输出阻抗为1mR,因此可用。
731B输出不了12mA电流,指标1mA负载下降5ppm,实测比这个还要大,因此不能用在此处。如果就是想用731B,需要对其加以改造,方法如下:
1、去掉1V、1.018V、1.019V等没用的东西,那些是以前为了和标准电池做对比用的,这样还可以拆出很多金封电阻(4.4942k×2、2.004k×2、412k)。如果就是想保留这部分,可以单独增加一个红色的接线柱,装在原来的面板调节孔位置,10V不再调节。
2、去掉原来的很细的红黑接线柱引线,换成2.5平方(或1.5平方,内阻会增大0.7mR)的粗线,直接从接线柱焊剂到电路板的两个汇流点上。
3、把限流电阻R28从62欧减少到24欧。
4、运放U1从LM308H改成AD708AH。
如果自己做10V基准,当然也要做成低输出阻抗的(<=3mR),才能用在此处。


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