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SZA263/LTFLU-1的原理和外围器件

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发表于 2009-3-12 09:02:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
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。
263-5440B.jpg

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。
Fluke.gif

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:
335Aref.jpg
这个电路,实际上就是常见的串联稳压器的基本电路而已
Stable1.gif

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
ref.gif
refa.jpg
335D.gif

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:
3.jpg


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:
P1050479s.jpg
DSCN9834s.jpg

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。
P1050484ss.jpg


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

731B中夹在金封电阻中间的早期SZA263,有M标志

DSCN9575s.jpg
DSCN9577s.jpg
731B.jpg


到了Fluke为之骄傲的恒温电压基准732A,就直接称呼Ref-Amp了
732A.gif


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。
732B.gif
732B-D.gif


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

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。
refamp.gif


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。
 楼主| 发表于 2009-3-12 09:15:34 | 显示全部楼层
第二部分,案例观察

1、首先,看看经典的Fluke 731B的电路
731B1.gif


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:
731B2.gif

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)。
731B2.jpg
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 楼主| 发表于 2009-3-12 09:20:52 | 显示全部楼层
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。
732A1.gif



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。
732A2.gif
732A-LOUT.jpg
732A-BD.jpg   
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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 楼主| 发表于 2009-3-12 09:26:24 | 显示全部楼层
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。
732B1.gif


去掉不必要的部分,简化如下:
732B2.gif


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。
732B1.jpg
732B2.jpg

28.jpg

27.jpg

29.jpg
DSCN5784s.jpg

大约92年以后,核心稳压芯片逐渐从SZA263换成LTFLU-1
DSCN1914s.jpg

1refamp.jpg
732B3.jpg


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 楼主| 发表于 2009-3-12 09:43:47 | 显示全部楼层
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)
SZA263.gif


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。
Stable1.gif

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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 楼主| 发表于 2009-3-12 10:08:25 | 显示全部楼层
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:
731B-3.jpg

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。
732A-R5.jpg    

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。
6k2-11k42.jpg

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。
DSC00016s.jpg
202Z-shelf.gif


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。
DSCN0631s.jpg
VHD200.gif


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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 楼主| 发表于 2009-3-12 10:11:17 | 显示全部楼层
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。
SZA263MM.gif

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: 实例-263-最简0.gif

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。
vvip2.gif


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,
Jam2.gif
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 楼主| 发表于 2009-3-12 10:12:07 | 显示全部楼层
第六部分,实际组装

先放一个Aeon用263制作的电路板
Aeon263.jpg


还有thy888做的263板
   thy888-263.jpg

thy888两个豪华版LTFLU
7788cce2aa36a87814ad16db51924f69.JPG
a0007ca4d250bd016744ccebbddf677d.JPG

thy888的采用VHD200的紧凑型恒温基准
VHD200.jpg
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 楼主| 发表于 2009-3-12 10:12:22 | 显示全部楼层
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:http://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:
JJG固态基准征求.gif

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
JJG固态基准报审.gif



参考资料:
1、固态电压基准 http://bbs.38hot.net/thread-4-1-1.html
2、常见稳压器件特性比较表 http://bbs.38hot.net/thread-6-1-1.html
3、电压基准测试系统 http://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)http://bbs.38hot.net/thread-4838-1-1.html
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 楼主| 发表于 2009-3-12 10:12:35 | 显示全部楼层
[全文完]
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