固态电压基准 Solid-state Voltage Reference
一、前言固态电压基准，顾名思义，其内部采用不可流动的半导体齐纳管作为基准原件的。与传统的液态饱和电池比，具有坚固易搬运、温度系数低、输出电压高且标准等特点。尽管目前国家电压标准为约瑟夫森阵列，但由于投资大、使用不便、成本很高，固态基准仍然是计量部门电压保持、传递的主力。
固态电压基准的早期阶段，有很多厂家与品牌，比如HP的735A、valhalla的2734A，Datron的4910/4911/4912，Guildline的4400/4410， Fluke的731B/732A/732B，Wavetek的7000系列。当然到了目前，这些品牌消失的消失，合并的合并，目前还在生产固态电压基准的，几乎只剩下Fluke一家了，悲哀。
HP是仪器老大，而且网上资料很全，可以查到其735A早在1965年就开始生产了。尽管当时还叫transfer standard，只有1V和1.018V，但毕竟是固态基准，况且是恒温的。但遗憾的是，HP没有继续在固态电压基准领域有继续的投入和产品。
Fluke自从70年代初生产731以来，对固态基准业作出了很大贡献。731B是最早生产的成熟、销量很大的固态基准之一。到了80年代中期，高指标的732A几乎成为固态基准的代名词，我国也曾经大量进口。
不过，Fluke采用的是Motorola的SZA263补偿齐纳，电压为6.5V到7V，必须用2只电阻分压升压到10V，而Fluke本身一开始就采用稳定性有限的金封线绕一直延用到现在，始终没有找到更好的方法。继732A后生产的732B，尽管指标为2ppm/a，但超指标的很多，用料和实际表现反而赶不上732A。
自从Linear公司1986年左右期研发了LTZ1000基准后，其超强稳定性、超低噪音、超小的温度系数，很快被英国人发现并加以细致的研究，指标得到证实，成为名副其实的超级基准。英国的Datron进行了测试研发，并以此作为自己的主基准，推出了一系列顶尖产品，比如4910/4911、1281/1271、4700/4800，造就了一代英名。这些基准设备即便从现在的眼光看，仍然是顶级的、无可替代的。
然而Datron好景不长，不知何种原因，到了80年代末，Datron被Wavetek收购。当然，Wavetek并没改造原本Datron很成熟的产品，只是加上了自己的名字延续生产。到了1999年年初，在我定的期刊《国外电子测量技术》的第一期第12页上发现了一则消息：英国韦夫特公司研发了7000固态标准，每年只变化0.5ppm，而且可以断电！后来查询Wavetek的网站，下载了当时指标还没有完整的7000系列的彩页（没有三围和重量指标）
从这DS上看，Wavetek仍然采用了LTZ1000超级基准，但新增了几项创新技术，比如统计电阻分压、“消磁”法断电恢复、PhotoMos开关、5号电池备份等反传统概念。这样看来，7000系列给业界一个良好的开端，让固态基准在功能上、性能上得以继续提升。但殊不知，Wavetek此时正与Fluke洽谈被收购事宜。到了2000年1月，Fluke公布以4000万美元收购了Wavetek的精密测试部（也就是原来的Datron）。由于原7000系列与Fluke自己的732B一直是竞争产品，而且7000系列技术新、指标高，但没有Fluke自己的732B市场占有率那么高。Fluke通过收购，消除了竞争对手，使得目前基准市场几乎是一花独秀了。
回过头来看，所有这些厂家的固态基准，输出均带有10V，但其心脏都是一个6.5V-7.2V之间的深埋型稳压管，然后通过某种办法把电压升到10V。
固态基准最重要的指标，就是年稳定性，以ppm/a来表示（每年变化百万分只几）。其次的指标包括温度系数、噪音等。
相关文章：
80年代英国人Spreadbury对超级基准的鼻祖级系统测试
Wavetek首发但残缺的7000彩页
Wavetek的John Pickering（Datron创始人之一）对7000系列实现技术的描述
Fluke基准的核心参考放大器介绍：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=177
补充，有关固态基准长期老化的方向
根据Fluke “PREDICTABILITY OF SOLID STATE ZENER REFERENCES”一文对335个732B的测试（均为两次校准），老的采用Moto SZA263的基准，平均具有正向老化，而后期采用LT LTFLU-1基准的，具有平均负向老化：
LT的基准，从数据手册看，均具有负向老化：
BB的基准，也有负老化倾向
二、Datron的固态基准
Datron是英国老牌基准公司，擅长生产高准确度计量仪器，其4910系列固态基准和1281八位半万用表为其著名代表作。
4910系列是80年代末设计生产的，采用了4组电气独立但机械不独立的单元，内部采用LTZ1000CH做为核心元件，稳定度达到惊人的1ppm/a，这在当时是绝无仅有的。大概1987年Linear推出LTZ1000，而在两年多的时间内Datron就能做出空前绝后的4910，实属童话。另外，温度系数0.05ppm/C，低频噪音指标为0.02ppm，这些指标从目前的眼光看也是非常的小。
内部从7V升到10v是采用PWM（脉宽调制）升压法，尽管可能存在滤波和噪音问题，但这种方法的升压比例很有保证，而且不会随时间而变。其实，Fluke早期在其5440A/B电压校准器上也采用了PWM技术，但Datron采用了7阶滤波、两段PWM，使得噪音、可调性和老化得到充分保证。
Datron被Wavetek收购后，在英国的Norwich继续生产4910系列，仅仅是加了一个名字而已。
国内网友个人已经拥有了四套4910，经过对比测试分析，1ppm/年的指标还有很大的余量。
网上其它介绍4910的图片不多，以下一个德国的链接很早就有，而且有内部大图：http://www.amplifier.cd/Test_Equipment/other/Datron_4910.html
从维护手册上看，其PWM含7 pole filter的电路图
https://bbs.38hot.net/p_w_upload/Fid_2/2_3_13eb950177adcf6.jpg
4910，这里有讨论：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=300
4910的电源原理与锂电替换： https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1023
4910的一个维修案例：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=6851 三、Wavetek的固态基准
Wavetek在1999年发表了7000系列，实际上就是原来收购的Datron部门开发的。7000系列做到了机械和电器独立，单个指标为1.8ppm/a，4个并联的7004N为1.2ppm/a，10个的7010N指标达到1.0ppm/a。
内部采用统计电阻法来完成7V到10V的转换，这个转换步骤可以达到0.02ppm/℃以下的温度系数以及0.2ppm/a以下的漂移。另外，Fluke所谓“消磁”训练技术（以在开关机冷启动时维持电压不变）都是从Wavetek买来的。见最后Wavetek的文章。
无论是7004N还是7010N，均带有一个Nano Scanner，具备内部软件系统和扫描器，功能非常强大，
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7转10统计电阻用的是
氮化钽材料（
tantalum nitride ）(TaN)http://www.evaluationengineering.com/index.php/solutions/instrumentation/qabout-a-voltq-isnt-good-enough.html
John Pickering对7000系列实现技术的描述文章：
7000系列的“消磁技术”的专利（作者John Pickering，有pdf可以下载）：
http://www.freepatentsonline.com/5369245.html
四、Fluke的固态基准
Fluke的固态基准，传统上是基于所谓参考放大器（Reference Amplifier，简称Refamp）的。
Fluke最早使用参考放大器，见于其70年代初的731A，型号是DH80417B，为4脚金封，找不到厂家和资料。
1972年生产的335D电压校准器里，用的是TI德州仪器的恒温参考放大器，内部为摩托罗拉的SZA263。从此，SZA263作为核心器件广泛应用在Fluke的各种基准里。有关Fluke采用元件的历史和方法，参考这里：
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=177
Fluke能找到的最早的固态基准，是体积比较大的730A，是4个独立的基准放在一起，具有10V输出，但名字为转移标准，转移参数为2ppm，不具备老化参数。
后来大约是70年的731A，就把730A拆分了，独立的10V还有更低的电压，也叫转移标准，参数应该一样：
从外观上看明显的模仿了60年代的HP735A。
有关731A，几乎没有任何资料，与HP735A比，731A/B增加了10V。从外观上看，与后续的731B很类似。而且，731A非常少见，也许是Fluke在生产A的时候发现了一些问题，很快停产，被后续的731B替代。现在看，731A是大约从1970年开始生产的。到1974年开始生产731B，则731A就停产了。731A没有内壳，更没有恒温，升压电阻用的是裸线绕：
731A的短稳和噪音指标也不太好。测试表明，Vpp达到1ppm，而对比的731B就只有1/5左右。
随后大约1974年，Fluke生产改进型的731B，改进的内容包括：
名称从Transfer Standard改成了Reference Standard，也具备了30ppm/年的老化指标。
开关带锁，不容易误触发
内部带有内壳
正式采用SZA263作为核心器件
关键的升压电阻采用金封线绕
电路采用了输出缓冲和限流、允许短路。
这些改进，尤其是最后四项，奠定了一个成功的固态基准的必要基础。知道后续的732A和732B，这些改变仍然保留，甚至电路原理都没有什么变化。731B还是非常成功的，体积小，非恒温，耗电少，预热快，性能优异，作为替代标准电池的转移标准，卖出很多，二手市场常见。
尽管指标年稳30ppm，但实际小得多。我手里有3个731B，没有调整过，几十年累计变化都不超过10ppm；指标温度系数1ppm/K，实际也都在0.3ppm/K，
以下是731B的原理图。由于非常经典，广泛被采用，因此有必要简单介绍一下原理：
TP2是10V输出，经过R7（6k2）、R8（11k42）等分压后，再通过U2反馈放大后，由U1进行对比。
CR2是一个电平移位稳压管，使得U1可以在12V供电下输出较低的电压驱动较高电平的Q1；CR1是恒流管，使得电源电压宽范围变化下几乎对输出没有影响；Q1就是一个简单的射随，因此并不产生电压增益，使得整体电路比较稳定。但Q1的射极接了个电流检测电阻R2B，当驱动电流达到大约10mA的时候让Q2导通，拉下Q1基极电位，限制输出，这样就达到了限流目的，不怕输出短路。
以前的731A是直接用运放输出，这样有危险。尽管运放有短路保护，但电流偏大（25mA）、短路电流不能控制，短路后运放发热特性改变，恢复时间慢。
U2的基极是基准的检测点，但内部的三极管有较大的电压放大倍数，反应在集电极的输出上已经放大很多倍，这样对运放U1就要求比较低了，对这对比运放的基准电压（R5、R6与R3对10V的分压而来）也要求下降，因此U2才称为参考放大器。
后来在1983年，Fluke研制了体积很大的732A，电路其实与731A一样，只不过采用了更好的元件，关键部分做了恒温。制造初期指标为6ppm/a，后来提高到3ppm/a。有了732A后，Fluke把自己的电压基准从标准电池转换了过来。同时，这个基准当时由于生产时间较早，没有什么竞争的，因此卖出很多，我国也买了不少。现在国外的开始有陆续被淘汰的，因此二手市场上能见到，包括国内的二手。
732A是第一款能够作为参考基准使用的固态基准，除了采用成熟的电路和恒温技术外，主要是与关键元件的筛选和测试分不开的。
后来在1992年，Fluke对732A进行了改进/改造，生产了732B（和734A，为四个732B合在一起）。最显著的变化就是体积。左边实际上是752A，但与732A是完全一样的大小，右边的732B小了很多。
关键电路采用了贴片，显著缩小了体积与功耗，电池从原来的24V大体积12小时时间变成单个通用（12V 7Ah那种）且能连续使用72小时。另外，可以把4个732A放到一个壳子里形成734A（但仅仅是放到一起而已）。指标从3ppm/a修改到了2ppm，这个有点勉强了。
从732A到732B，尽管有很多改进，但也不足：
关键元件有所退步。732A大量采用金封，而732B用了很多薄膜电阻。更关键的是仍然采用几十年前的金封线绕，而且除了732B外别的Fluke仪器已经不再使用了，造成Fluke曾经自豪的金封线绕产量骤减、材料供应和测试等相关岗位得不到足够的重视，使得后期阶段的金封线绕质量下降。我有5只732B，经过测试，其中3只年稳超标。由于同时测试了内部的7V没有问题，因此超标的原因就在于升压电阻。另外，这5只中的3只，后端曾经无端冒烟被烧毁，经过检查是内部的瑞士产滤波器故障（内部电容短路），成为732B的通病：http://www.gfjl.org/viewthread.php?tid=64579
这也说明这个时期的Fluke，产品质量不如以前了。 五、其它基准
Guildline 4400
高联的4400，具有4组10V，每组10V采用8个LM329AH并联，然后再用电阻法升压到10V。
Specifications :
Outputs: Four at 10V, four at 1.018V,
Influence of Battery Voltage Limit (between the limits of 11.6V and 14V): below noise level,
Noise (0.3 to 10Hz bandwidth): less than 0.1ppm RMS,
Annual drift (each of the eight outputs): First year- less than -3 +/- 2 ppm, Second year- less than -2 +/- 2 ppm,
Temperature Coefficient: less than +/- 0.04ppm/deg C,
Transmille 3000ZR
英国一个相对较小、较新的公司Transmille ，2007年生产的，15V供电，指标2ppm/a。
这款基准厂家介绍的信息非常有限，例如温度系数、工作环境温度等都没有给出： http://www.transmille.co.uk/3000zr.htm
由说法" integrated temperature controlled environments "，猜测是采用LTZ1000的。另外，根据厂家电阻基准的用料表，这电压基准很有可能是用Vishay的金封金属箔电阻进行升压的，然后再分压成1.018V。电池只提供4小时的后备时间，因此容量比较小。RS232端口只用来输入安全码开启基准的。另外，这款基准是唯一一个缺少Guard端子的商品基准。
对比表格
【全文完】 不错挺好 进来流下口水 以前怎么没有注意到这个帖子？ 4910太猛了 学习学习 4910一代天骄，谁与争锋！ 梦想：732B，4910 猛，老外就是强，何时国内也做个牛的出来就好了。。。。强烈等待中。 看来目前所见到的只有4910比较厉害了。 进来流下口水... 好帖子 拜读 学习了。谢谢您 老大的作风让人肃然起敬！ 高，实在是高 向老大学习 学习，谢谢！ 老大能不能讲讲PWM升压原理啊？用什么产生PWM？频率要多少？分辨率要多少？需不需要电感?如果需要电感，如何保证电感不受温度变化？ 学习了。谢谢楼主！ 进来拜读! 4910是插拔的吗?
PCB那样走曲线是他们的特点么？
新来的多学习，谁给解释一下呗
回 liao_43 的帖子
liao_43:老大能不能讲讲PWM升压原理啊？用什么产生PWM？频率要多少？分辨率要多少？需不需要电感?如果需要电感，如何保证电感不受温度变化？ (2010-11-2011:59) images/back.gif简单说，PWM升压与PWM分压是一个意思，就是对10V进行PWM分压，然后与7V对比。
PWM分压，就是脉宽调制，比如频率100Hz，周期就是10ms，如果脉冲宽度7ms，那么平均下来就把10V分压成7V了。一个周期10ms很小，因此参数的变化可以忽略。
回 haing 的帖子
haing:4910是插拔的吗?PCB那样走曲线是他们的特点么？
新来的多学习，谁给解释一下呗 (2011-12-0917:17) images/back.gif
插拔是什么意思？里面的几块电路板可以拔插，很多仪器都是这样设计的。
PCB曲线布线也并非Datron唯一。4910比较有特色的布线是等电位屏蔽。 插拔式结构省去了走线，并且方便拆卸、更换、维修等
曲线布线还是第一次见，这种布线方式比横平竖直的布线方式有哪些优缺点哪？
是不是模拟信号这样布线多点，数字信号这样走线会不会有问题啊 通常有两种情况可能产生曲线布线。一是早期产品的设计多是手工操作，不象现在用软件实现。二是在现在的条件下曲线布线，主要是为了解决走线中的直角、锐角可能产生的辐射和干扰，半径小的拐角产生明显的电感，故在模拟、数字混合电路中，曲线走线是提倡的。 哦，学习了 我踏入38度坛，立中老大超级毒......目前高烧持续；学习进步；受益巨大。谢谢老大！
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