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楼主: lymex

DIY 精密测量用1mA、10mA、100mA恒流源

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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:03 | 显示全部楼层
10mA恒流源的使用
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:09 | 显示全部楼层
10mA恒流源的其它
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:19 | 显示全部楼层
100mA恒流源的作用与要求

100mA主要用来测试对比1欧电阻,每个电阻压降0.1V,功率10mW,可以多个串联,切换对比。

1欧是电阻的单位,而1欧实物电也是最稳定、最好的。但是,1欧很小,难于用万用表进行精确测试,而采用DCC或专用电阻桥的方式也超出了一般业余爱好这的能力。

而采用外部100mA恒流源的方式,可以超过大多数万用表的10mA的测试电流,用0.1V档或者0.2V档多次测试对比电压,有望把1欧电阻对比到1ppm之内。



类似,对100mA恒流源的要求是:
1、短稳好,即噪声低,不大于5ppm
2、温漂不大于5ppm/K
3、年稳不做要求
4、输出电压最高1.2V,这样可以串联最多10个1欧电阻进行测试。
5、可以接电感负载、电容负载
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:26 | 显示全部楼层
100mA恒流源的基本电路

100mA1.gif
左边Vcc是电源,充电插座通过防反接二极管D1给三节串联锂电充电,运行时电池供电。
开关K1在不用的时候或充电的时候是断开的,测试的时后闭合,给整个电路供电,R5给指示LED提供大约1mA的电流。
I1是恒流二极管,给二端7V基准提供恒定电流,基准通过R2和R3分压后作为采样对比参考电压,由精密运放跟踪采样电阻上的电压,驱动MOS管,使得与参考保持一致。
二极管D2是让运放的共模电压降低下来,否则需要轨轨运放。
输出的绿色三根线靠在一起,是一根双屏蔽线,红色虚框为一个放在电流源外部的引线加粗部分(发热),这两根线形成电流输出的接口。
调整管采用低压PMOS功率管(PMOS增强型),耗散要有1W附近。
运放除了采用LT1012外还有别的选择,参见下面详细描述。
C1和R4,是一个缓冲器,用来防止接入感性负载而振荡(有些1欧电阻是有感绕制)。C1要选择漏电小、介质吸收小的薄膜电容,具体容值要试验确定,R4也一样。
要注意一点,采样电阻R1一定要用4线的接法。电路图上靠右边的两条线是电流线,左边的两条是电压线。

输出电流公式。
输出电流 = R1电流 ± Ib ± Ig ± Irc
其中Ib为运放的偏置电流,Ig为MOS管漏电流,Irc为1uF电容漏电流。由于输出电流有100mA,因此只要这三个电流均不大于10nA,就可以排除其影响。

R1电流=R1电压/R1
R1就是采样电阻,其变动直接影响输出。R1可以选择2欧到10欧之间。R1太小则压降小,Vos的影响就大(见下),运放的噪音影响也大。R1如果太大,则功耗增大,温漂大、预热时间长、引起的热电动势变大、对流加大引起短稳变差。因此,选择R1的时候,除了温漂要小以外,体积要大并加上适当的散热片,以便减少内外温差。如图7R耗散70mW,不加散热片的场合内部温升有3度,因此若温漂为1ppm/K,对开机变化的贡献也会有3ppm了。

R1电压=R2与R3分压电压 ± Vos
Vos就是运放的失调电压,由于分压电压至少200mV,因此Vos的变动要不大于0.2uV就可以让影响<1ppm,因此选择了0.2uV/K和0.3uV/Mo的LT1012。
另外,运放的噪音也直接叠加到这个电压上,LT1012的为0.5uVpp,不算非常小。
如果供电电压7V以上,则可以选择如下运放:
1、0.3uVpp的LT1001、LT1010或者AD707,耗电从0.4mA增大到1.6mA。
2、噪声更低的运放也有,尽管Ib偏大,但用在100mA的这个电路里问题不大,例如
3、还有OPA227,噪声0.09uVpp,10nA的最大Ib也就影响0.1ppm,但耗电3.7mA,Vcm和输出也大。
4、另外有0.22uVpp噪声的OPA277,耗电0.8mA不算大。

R2与R3的分压 = U2电压 × R3 / (R2 + R3)
可以看出,U2的电压直接影响输出,而R2和R3的影响也一样是直接的。为了保证短稳,R2和R2要用优质塑封金属箔。

U2的电压
由于电流源的输出要共地,因此此处要采用负压方式,而最常见的负压产生就是利用shunt模式(2端使用)。
为了保证噪声等指标,必须用Zener而不能用带隙,Zener都是7V的为多,所以供电电压就降不下来。

100mA恒流源的另外一个电路,是低压供电的,采用带隙做基准,即1.25V基准,6:1分压后成为0.2V,采样电阻用2欧(耗散20mW)。运放仍然用LT1012(可以2.5V下使用,很难找到类似的运放了)。驱动采用JFET+BJT复合管,这样算下来,如果输出1.1V的话(适合10个1欧同时测试),最低可以用3.0V电压供电,好处是发热小,可以用1节锂电。其中D2是给运放提供适当的共模电压,否则因为R1的压降小,必须用轨输入的运放了。
100mA2.gif
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:35 | 显示全部楼层
100mA低压恒流源的制作与测试

同样,先搭接了一个简易的,用了下述低压方案:
100mA3.gif

采样电阻用了2.5欧的VHP-4,这样功耗为25mW。
与前一帖的电路比,省略了一些不必要的部分,只是分压电阻因为要调整到比较精确的100mA,用了4只。
P1110309.JPG

装好后,并没有一次成功,原因是JFET管的Vp较大,造成运放不能输出到应有的高电位,而是在低电位上被钳住,电流过流。在PNP管子的be结上并联了一个500欧的电阻后,使得JFET工作电流加大,就好用了。实测一下各工作电压值,基本上就是上述电路仿真时的值,误差不超过0.1V。把电源电压加大到5V,输出几乎看不出变化。

100mA不宜用高位表的电流档测试,因为所有表的电流档指标都不高,里面不可能装进去高精度、大体积的电流采样电阻。
所以,测试采用外部采样(I-V)转换的方式。
采样电阻用了一只有出生证、10欧的国产BZ3,标定阻值9.99999欧:
P1110311.JPG

P1110314.JPG

P1110313.JPG



测试结果不是很理想,主要是没有装壳,受空气波动影响较大。其中LM385-1.2的基准温漂很大,手一摸就能跑上百个ppm,毕竟这基准的温漂指标典型值是50ppm/K的(最大可能达到150ppm/K)。
视频:
http://v.youku.com/v_show/id_XMzY0OTA3MDIw.html
http://player.youku.com/player.php/sid/XMzY0OTA3MDIw/v.swf

可以看到,末位有几个字(几ppm)的变化,3V下耗电100.8mA,其中0.8就是电路总体耗电,另100mA是有用的输出。
如果这个恒流源装壳,要给定级的话,0.01级肯定是没戏,但大概可以达到0.05级。
这个试验性恒流源的特点:
简单、低压供电、性能一般、输出电压不大。
低压恒流源的改进,主要从改进基准入手。


经过测试,上述低压方案效果不太好。为了能在1节锂电的前提下做成尽量高精度的,重新设计电路如下:
100mA4.gif



1、电源选择单节锂电,这样保证电压>3.0V,使得前面所有的计算、讨论和试验全部有效,同时因为采用电池供电而免除电源可能带来的纹波个干扰,也可以大大提高共模抑制。具体讲,采用两节松下NCR18650电池并联,容量大到5800mAh,这样可以连续使用55小时以上。
2、基准选择2.5V的AD780B-2.5V。尽管仍然是带隙的,但为高精度带隙的,温漂<3ppm/K,噪声也只有3uVpp,即1.2ppm-pp,也就是大约0.24ppm rms。这是能找到的最好的低压基准了。其余类似的例如LT1019A-2.5、AD680、ADR431,都不如这个。此基准还可以用二端模式,也是其它基准所不具备的,因此可以工作在3V下。另外,此基准还可以输出代表温度的电压信号,可以用做温漂补偿。

3、二端模式工作需要一个低压恒流源
这个是关键,没有什么简单的办法,只能采用IC内部常用的镜像恒流源电路,做1:5放大,得到1.5mA,电压可以低达0.2V,因此在低达3.0V的电源下运行也没有问题。只所以一定要用二端模式,是因为三端模式是共地的、不好用。此处需要共源的三端模式,而真没发现有这种基准。用了二端模式就无所谓了。有人问这个恒流源是否可以用电阻替代,答案是不行的。由于锂电的电压变化范围较大,可以低到3.4V(100mA放电快没电的时候),这样去掉共模电压0.7V和基准电压,只给电阻上留了0.2V,电阻为0.2V/1.5mA=130欧,但当电池充满的时候电压达到4.2V,该电阻的电压就达到1.1V,而电流就是8.5mA了,这样变动比较大,造成基准电压不稳,也耗电。当然,要求不高对于100mA的恒流源可以用电阻,但不适合用在1mA恒流源上,毕竟这电路是想通用的,1mA恒流源要做成省电型的。

4、运放仍然选择LT1012。其它运放很难被替代,还有一个相近的LT1677,噪声低一些,但耗电大一些。

5、采样电阻用了6欧(实际是8欧与25欧并联),这样压降为0.6V,大了一些,功耗为60mW,但由于VHP-4温漂小,两个电阻分担,也问题不大。这样做的好处就是0.6V直接就是LT1012的最小共模输入电压,只需要R4象征性的继续提升0.05V即可(实际R4=0R47)。

6、基准分压电阻也要相应变化,实际上选了三只Vishay塑封金属箔(2.5k、7.5k、50k)。另外,R7=1k是调整电阻,权重只有不到1/20000,因此可以采用常规的可调电阻。

这次采用了万能板,装好后的样子(电池是两节18650并联):
DSCN1398s.jpg


两个外置管也封了起来
DSCN1392.JPG

装壳后的样子(当时只装了一节电池),外部包括开关、LED指示、2根输出线
P1110325s.jpg


初步测试结果,短稳比较满意。仍然用BZ3-10欧做电压采样、HP34401A做电压测试,末位变动只有一个字,视频:
http://v.youku.com/v_show/id_XMzY2MzEwNDIw.html
http://player.youku.com/player.php/sid/XMzY2MzEwNDIw/v.swf

用3458A测试,发现情况不是很好,归一化显示后(每格1ppm),恒流源在缓慢变化:
100mA-test1.gif

为了弄清原因所在,用扫描器多探针放到内部测试:
100mA-test3.gif


显然,基准没有问题,但分压后的电压与采样电压变化很大,这个插值就是Vos,变化这么大无非就是运放的问题了。一个是共模电压不够,再一个是运放本身不好。把VHP4-8R改成10R,R4=1R改成1.5R,同时换了运放,结果:
100mA-test4.gif

最后的电路图:
100mA5.gif


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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 lymex 于 2019-1-27 11:51 编辑

100mA高性能恒流源的制作与测试

上述低压100mA恒流源,由于采用1节锂电低压供电,在基准和运放的选择上都受到限制,造成性能不是很理想。
为了提高性能,必须采用更高的电压,使得基准可以用Zener,电压高也可以更对电压的变化不敏感。实际制作时,可能要有所侧重,因此可以采取下述三个方式之一:

1、低噪声型
前面低压恒流,LT1012噪声是0.5uVpp也就是0.1uVrms=0.1ppm,而AD780的噪声是3uVpp也就是0.5uVrms也就是0.2ppm,合成后就是0.22ppm了,再加上3458A的噪声,得到0.26ppm已经是不错了。要想进一步减少噪声,首先基准要选好的,比如MAX6350与AD780同为3uVpp噪声,但电压为2倍因此实际为为0.1ppm。如果用LT1000,7V下为1.2uVpp即0.22uVrms也就是0.03ppm;假设采样电阻上的电压为1V,其0.03ppm为0.03uVrms=0.15uVpp,因此运放一定要选择峰峰不大于0.15uVpp的,这样才能让运放的噪声小于基准的。如果分压<1V则对运放的要求更高。这样的运放可以选:LT1007,噪声0.09uVpp,Ib典型10nA最大35nA,LT1037为高SR版(11V/us);
LT1677,RR,噪声0.09uVpp(,含到0.01Hz,Vcm=Vcc-0.5V以下),Ib典型2nA最大20nA,增益偏小,自己已有;
AD8675,输出RR,噪声0.1uVpp,Ib典型0.5nA最大2nA,增益偏小,自己已有;
AD8671,噪声0.08uVpp,Ib典型3nA最大12nA,增益不很大;
OPA227,Vos及漂移很小,噪声0.09uVpp,Ib典型2.5nA最大10nA,增益大;
OP27,噪声0.08uVpp,Ib典型10nA最大40nA,增益小;自己已有
ADA4522-1,RR(高入除外),噪声0.1uVpp,Ib最大0.15nA,增益大;自己已有
ADA4528-1,RR,噪声0.1uVpp,Ib最大0.4nA,增益大;电源电压只能到5V,自己已有

(以上这些运放,也可以用于0.1V到10V的放大)

另外要注意,运放的Ib也不能太大了,以不大于50nA为好,否则因为Ib变化多端(随温度、随电源电压、随共模电压),会在分压电阻上产生变化的压降。
如果采用LTZ1000做基准、LT1012做驱动,那么此恒流源的噪声可以降低到0.04ppm(基准0.03ppm),大概为普通型的1/5。

2、高稳定型
基准用LT1000,分压用金封金属箔,采样电阻用VHP4


100mA超低噪声伪恒流源

所谓伪恒流源,是说具有恒流特性,但不是真正的恒流源。这里是用7V基准串联一个电阻,再串联被测电阻,取得近似恒流特性。 1欧标准电阻对比测试原理图.png
尽管被测电阻R2或R3变化了比如10ppm,其电压变化不到10ppm,但也差不太多,达到9.8ppm以上,也足够用了。同时,到底相差多少可以精确得知,计算的时候简单补偿上去,就可以取得同样的结果。
具体方法,采用LTZ1000基准、缓冲、电阻降压方式,并非100%恒流,而是98.6%的恒流,简单易做,噪声超低,只是计算的时候稍微麻烦些。
100mA-超低噪声伪.png
基准用LT1000,输出7.1V左右,用低噪声RR运放加上耗尽型MOS缓冲,再用一个低温漂的大功率电阻与被测电阻串串联,可实现高精度对比。
被测电阻串里面包含一个基准1欧电阻,同时串联有数个(1到10个,甚至20多个也可)被对比电阻,其灵敏度大概是98.6%。
灵敏度即被测电阻电压的微小变化与其阻值微小变化之比,灵敏度的具体值为(输出电压-被测电阻电压)/输出电压。
加入计算出来的灵敏度为98.6%,而被测电阻电压变化了10ppm,那么阻值变化就是9.86ppm。

R1上的功率大概有0.7W,需要在一个测量周期内(几秒到几十秒)保持在0.1ppm级别的变化,需要用温漂1ppm/K级别的功率电阻加上较大体积的散热片,使得内部温升不超过几度,并做防风措施。另外,R1要求在60欧到70欧之间可调,步进在0.7欧以下,使得电阻中的电流不超过额定100mA的1%的变化。

此伪恒流源的噪声与前面低噪声的一样,基准0.03ppm、运放0.02ppm,合成0.04ppm。

DIY 0.1V-10V低噪声放大器
由于1欧标准电阻上面的0.1V标准测试电压噪声非常低,只有0.04ppm,因此用类似3458A这种8位半表的0.1V档测量起来就很吃力,需要外接一个0.1V-10V低噪声放大器
放大器可以采用常规而经典的同相放大器,高位表的增益级基本都采用此类电路,但由于人家要兼顾速度因此运放都选择FET输入的高速运放(3458A选择的是MC34081,30nV//Hz,低频噪声大概1uVpp),这样噪声就比较大。而我们这里只需要直流放大,就可以选择低噪声的运放,比如LT1007这种Ib为10nA左右、低频噪声0.06uVpp级别的,也可以考虑LT1677这种Ib更小一点但低频噪声稍微大一点的RR运放,毕竟Ib的噪声在增益电阻串上的噪声电压不容忽略,同时单电源运放允许方便的使用4节串联的锂电池供电。
x100-x10放大.png
此电路不仅提供0.1V x100倍放大,同时可以用开关转换成1V信号x10放大,用于测量100欧标准电阻(电流10mA、电压1V)。
输入-1mV到105mV或者-10mV到1.05V可切换,输出-0.1V到10.5V,增益电阻串采用10k+1k+111.111欧,电源采用4节18650电池(14V-16.8V)供电,直接插在3458A的前接线端子上。
10k采用4个2.5k塑料块串联,1k采用4个250R的塑料块串联,111.111欧的采用250R的两只和1k的串联。
LT1677这种运放尽管Ib不是很小,10nA左右在100欧上会有1uV左右的压降,但Ib的噪声并不大,有1.2pA/√Hz@10Hz,换算成大概25pApp,在100欧电阻上的噪声电压约2.5nVpp,比起15nV的被测噪声电压可以忽略的。
此运放工作电流2.6mA,加上增益电阻串的电流0.9mA,合计需要3.5mA的电流,用4节3200mAh的锂电池可以连续工作一个月以上。

原3458A的放大器1kHz下噪声30nV//Hz,低频噪声大概1uVpp的样子,0.1V档实测噪声0.2ppm。如果换成的噪声0.09uVp-p的运放,也就是噪声1/10,那么按理说能取得0.02ppm的噪声,这样与3458A 10V的噪声0.01ppm也差不太多了。如果因为LT1677的1/f噪声使得放大器超低频噪声加大,那么可以换成ADA4522-1。

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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:49 | 显示全部楼层
100mA恒流源的应用


100mA-ap.gif

如图,四个1欧标准电阻串联接到100mA恒流源上,其中一个是基准,另三个是被对比者(可以有多个)。通过扫描开关分别轮流让高位表读取三个标称0.1V的电压,就可以得到对比结果。如果把被比较电阻放到冷热箱或恒温槽中,就可以测试温度系数。如果时隔1年再来对比,就可以得到长期稳定性。测试中,只要求100mA的短稳好,即在轮流一圈4次的测试中变化很小即可,至于这个100mA恒流源是否准确、温漂如何、长稳么怎样,都没有要求。得到测试数据后,每4个一组以第一个为基准,全部除上一个常数即可。

翻出4个1欧的,其中第一个是L&amp;N托马斯4210-B,还有两个是托马斯4210,最后一个是国产的BZ3:
P1110327s.jpg

P1110330s.jpg

P1110333s.jpg

P1110335s.jpg

100mA-aq.gif
上图为测试结果。
其中,标准差分别是0.35ppm、0.36ppm和0.34ppm,这样,取100个数做平均值,对比的不确定度就能达到0.04ppm之内(σ=1)。如果对1000个测试值平均,在σ=3下,对比的不确定度仍然是0.04ppm之内。

L&amp;N 4210,在几十年的时间跨度上变化了大约8ppm,每年大约0.3ppm,还算不错。
这个BZ3出厂时是9.99982欧即-18ppm:
P1110337s.jpg
P1110338s.jpg
现在为-35ppm,变化了-17ppm,时间是(2012-1986)= 26年,平均每年0.63ppm,也算很不错了。
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:38:55 | 显示全部楼层
100mA恒流源的其它
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:39:02 | 显示全部楼层
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 楼主| 发表于 2012-3-11 17:39:09 | 显示全部楼层
参考资料
1、标准电流  http://bbs.38hot.net/read.php?tid=199
2、一步一步做个电流源 http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content_all.jsp?bbs_sn=3656814
3、Current sources &amp; voltage references http://www.docin.com/p-148630579.html
4、恒流源及其应用电路 http://ishare.iask.sina.com.cn/f/15000863.html?retcode=0
5、Design and Evaluation of a 10-mA DC Current Reference Standard,设计和评估10mA电流参考基准
http://cdsweb.cern.ch/record/643294/files/cer-002399331.pdf


【全文完】
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