准备许久的LM399升级计划终于进入实施阶段

Pisces_Hades

       众所周知，市面上几乎所有的6位表和部分5位表都采用了LM399作为电压基准，但其2.85PPM的噪声特性和24PPM的年稳定度对于一台1PPM分辨率的仪表来说是不是太LOW了一点，更坑爹的是keysight采用接插件的方式安装了LM399，由于LM399的激励电流通常大于1mA，这就表示100mΩ的接触电阻变化也将带来14PPM的不确定度，这些变化可能来自于接触面的氧化以及震动，大家都知道氧化是无可避免的，但是震动真的可以避免吗？非也，即便你的工作场地没有震动，仪表是需要校准的，运输环节是100%参与其中的，也就表示震动是伴随整个仪器生命周期的。因此有理由认为校准完之后的仪表发回到你手里已经产生差异，而且这点差异对于1PPM分辨率的仪表来说是不可忽略的。
       说到这里，应该已经有人猜到我要干什么了。是的，更换基准，而且是LTZ1000。
       话说之前也看到坛里有一位高人对34410a动手改造基准，但似乎无疾而终，没有最终的成果，我想应该是遇到以下的问题。
       1、安装尺寸，尤其是高度。
       2、负电源的处理。
       3、接触电阻。
       4、同步上下电。
       5、安装方式的可靠性。
       对以上罗列的问题我已经有了针对性的改进方案，连接方式依然采用原版的接插件。不过用最终4个引出脚解决上面所有的问题，并且完整实现LM399的功能，的确是有难度，但并非遥不可及。
       设计分以下几个阶段。
       1、定性
            解决以上罗列出来的问题，其中2-4都是可以从原理性的角度入手给出解决方案的点，1和5可以在layout和器件选型阶段解决。
       2、定量
            主电路依然还是教科书般的原理图，但其狗屎一样的温度PI参数以及和温补电路的融合是可以改进的方向，两点只能在实物制作阶段进行改进，尤其是PI参数的整定和恒温点的设定，而且这两点都是有一定离散性的量，不同的器件有各自的最优化参数，所以这部分是重点考虑的内容，也是整个制作过程中成败的关键点。如果参数直接照搬DS上的除非碰到正好可以完美匹配的器件(可能性微乎其微)，不然真的是浪费了LTZ1000。
       3、验证
            这点就不多说了，因为没什么好说的。

Pisces_Hades

预览一下PCB，已经完成设计，进入打样阶段。
2016/6/4更新
消偏回路的设计发生重大失误，导致原本-40DB的增益变成了区区的-15DB，且不完全可控。一套失败的电路还不如一条咸鱼有用。
2016/6/5更新



原理图的基本架构如上，与原版相比，改变之处有4。


1、Q2替代了原版中的二极管
    原版二极管的作用主要是防止加热丝冷端的二极管正偏，由于LM399有负压的提供，所以此处用了一个三极管直接把加热电流从负端导出。而BE压降同样可以使得2脚的内部PN结反偏，同时也起到了旁路加热电流的作用。


2、增加了R12,R15组成的复合电阻串联在齐纳回路中
    这个电阻起到了温补的作用，该原理有高人详细解释过。我这里就点一下好了，温度变高，Vbe减小，Iz减小，Vz上升，VR下降，当ΔVz=ΔVR，那么就达到零漂点。所以恒压手段就变成两个。一、恒温器保持温度稳定，所以电压稳定。二、即使温度有波动，电压依然可以稳定。两条腿走路才平衡嘛。基于这点，我取消了400K的补偿电阻。

3、原二极管上并联电容
     二极管具有单向导流的特性，所以运放对齐纳端的控制也是单向的，当有干扰时正向抑制和反向抑制能力不平衡，会导致电压跳动。增加电容让反向抑制力增加一些，其实直接短路二极管也未尝不可。

4、U4组成的差分电路
    该电路的原理是采样流入地线的电流然后把电流转换成对等的从地线流出的电流，这样可以把地线弄得很干净。同时也消除了GND对外的电流，可以把接触电阻的影响降低到0。

Pisces_Hades

样品打样完成，进入测试阶段。此次一共采购了2枚LTZ1000CH，1611批次。买CH的原因主要是自热效应比较小，所以长稳上会更有优势一些。而我改进的主要目标就是长稳。
1、摸底测试
由于是第一次玩LTZ1000，所以希望对其内部的器件匹配度做个大概的了解，结果让我很意外，出奇的好和出奇的差。其内部有两个晶体管Q1和Q2，其中Q1的VBE是最终的温度，也是最重要的温度结点，而Q2只不过是一个中间量。所以这次实验的目的是为了确立恒温点的下限，暨VBE1的上限。

测试方法：1）开路LTZ内部的加热电阻。
               2）将电路板整体封装进简易防风容器，在容器内部放置NTC5K B3950。
               3）将整体装入恒温箱。
               4）齐纳回路正常上电。
               5）采样40度，50度，60度，65度，70度环境温度下自热稳定后的VBE值和此时对应的NTC电阻。




以上是测试的方法和截图。

下面是数据



分别对两个样品进行了初步测试，结果发现Q1是惊人的一致，而Q2很挫。同样的比例电阻最后结果差了20多个mV，几乎是10度的差异。看来LT没有对Q2做激光修正。这也就说明比例电阻并不是直接照抄DS就行的，否则只能是坑爹。由于样品只有2个，所以不能代表更多，但我倾向于Q1是做了修正的。

Pisces_Hades

2016/6/7更新
测试遇到瓶颈了，6位的表完全无法测试出LTZ1000的性能，最后一位跳动的时候根本不知道是基准动了还是表动了，看来要做一个背靠背的测试方案了。

重大发现，LTZ1000CH的CASE TO DIE居然不是绝缘的！触碰case居然会对读数造成影响！这个不能忍，宁可牺牲长稳也要用ACH。因为我只对热岛和引脚进行防风设计，CASE是外露的。shit！


2016/6/8更新

重新搞了一个LTZ1000ACH，1511批次的。温升没有想象中的大，同样的环境温度下VBE值比CH还要高一些，显然这是个利好消息。

我要重重地抽自己一个大嘴巴！
我之前说原厂DS上狗屎一样的PI参数真的是大错特错了，现在我更正为几乎完美的PI参数，对ACH来说1M 0.1uF的组合简直完美到了极致！

2016/6/13更新
调试中发现的问题以及改版目标
1、地线电流抵消电路的设计有些问题，导致与设计值相差了10多倍，但经过器件筛选达到了目的<10uA，改版目标：简单的器件筛选就能满足要求。
2、Q2的发热预估不足，Q1和Q2都采用贴片器件，热功耗和温升经过简单计算可以满足要求，但实际调试中发现满功率加热时Q2表面温升超过70℃，不符合环境温度60℃的设计要求，改版目标：最大化降低Q2温升。

Pisces_Hades

预留444444

Pisces_Hades

预留55555

sssaaa

单颗LM399基准还是差那么一点,有心搞,楼主还是筛选4颗并联吧.

Pisces_Hades

预留 6666666

Pisces_Hades

sssaaa 发表于 2016-6-2 10:01
单颗LM399基准还是差那么一点,有心搞,楼主还是筛选4颗并联吧.

1、4颗并联首先要4倍于单个器件的激励电流，接触电阻影响更大，因为要完美PIN TO PIN对换一个LM399，既然一个LTZ1000就能做到为什么不做呢？
2、4颗并联只能改善2倍而且只是理论上的，既然一个LTZ1000就能实现数量级的提升，为什么不做呢？
3、4颗并联冷机上电的瞬间加热电流感人。

thy888

期待下文的精彩

上海电子回收

LM199和LM399  有什么区别

zhikai_wu

先收藏，再帮顶

xuanmic

此贴要火！

topv

强帖留名！

simon51

先留名

天风雪雨

3个问题：第一，LZ实际测试过399的噪声没？；第二，100毫欧，也就是0.1欧姆的电阻，你知道这个电阻对于接插件是个多大的阻值吗？；第三，1271的IC几乎全部是用IC插座的，那么按照你的理论是不是这台表就可以直接枪毙了？

Pisces_Hades

天风雪雨 发表于 2016-6-3 00:46
3个问题：第一，LZ实际测试过399的噪声没？；第二，100毫欧，也就是0.1欧姆的电阻，你知道这个电阻对于接插 ...

1、没有，我取了199的max值。按typ值算应该是1ppm。
2、我不知道100毫欧对于接插件是什么概念，但我知道的是插拔一次LM399读数会变化5-7，而且我自己设计的产品有过接插件失效的先例，后来全部改成焊接。
3、接插件的电阻效应并不是在所有的情况下都会显现的，简单的分析一下运放好了。
     1）IN+,IN-只有非常小的电流流过，小到nA级，即便有1欧的电阻那么也就是nV级别的影响，这个影响会被自身的OFFSET+DRIFT淹没，可以认为接插件没有影响。
     2）OUT，有些应用会要求运放的输出端输出一些电流，但此时的接插电阻是在闭环内的，充当的角色是OPENLOOP时的内阻，这个影响会被反馈深度修正，一般运放的DC增益>120DB，额外内阻会被减小到1PPM，1欧的接插电阻会被缩减到10的-6次方欧。
     3）电源端，PSRR的概念我想你应该有吧。
     4）数字IC还用分析吗？
     5）以上4点的分析都是假设接触电阻为1欧，如果哪个接插件的接触电阻到了1欧，那也确实应该枪毙了。

Pisces_Hades

天风雪雨 发表于 2016-6-3 00:46
3个问题：第一，LZ实际测试过399的噪声没？；第二，100毫欧，也就是0.1欧姆的电阻，你知道这个电阻对于接插 ...

你列举的机型里现在能上台面的也就3458a了，但3458a的基准板上有一个细节性的设计，是为了避免接插电阻造成的不确定性而独有的设计，Simple，but it works，仔细找找，一个很小的细节。另外为了最小化接触电阻造成的不确定性，它用了多组电源。

另外这个TIPS也在34470A的基准板上有用到。

gongsaiwei

Pisces_Hades 发表于 2016-6-3 05:15
1、没有，我取了199的max值。按typ值算应该是1ppm。
2、我不知道100毫欧对于接插件是什么概念，但我知道 ...

我记得datron 的4000，4700，4708的基准板也是插上去的。用插针。
几乎有所的校准仪表都是金手指板一块一块拼起来的。包括基准信号。

照楼主这么看，那么我们都被datron，fluke这些可恶的骗子骗了了哦！
可恶，可悲啊！

Pisces_Hades

gongsaiwei 发表于 2016-6-3 10:30
我记得datron 的4000，4700，4708的基准板也是插上去的。用插针。
几乎有所的校准仪表都是金手指板一块 ...

不完全是这样，接触电阻的影响是可以从设计上避免的，3458a的基准部分原理图上有提现，一个很小的不起眼的东西，却把接触电阻的影响降低了一个数量级。但这个方法没办法用在LM399上。
所以用接插方式安装LM399是不是坑爹的？答案是yes。

天风雪雨

Pisces_Hades 发表于 2016-6-3 10:37
不完全是这样，接触电阻的影响是可以从设计上避免的，3458a的基准部分原理图上有提现，一个很小的不起眼 ...

噢~原来hp的工程师只把3458当亲儿子了，其他的表都是后娘养的。
另外，原来6581在你眼里也就是个垃圾的角色，那要不你多买点这个垃圾送给坛友大家一起玩玩？我们不介意玩垃圾

selena2211

我也关注一下，不然太low了

Pisces_Hades

天风雪雨 发表于 2016-6-3 10:46
噢~原来hp的工程师只把3458当亲儿子了，其他的表都是后娘养的。
另外，原来6581在你眼里也就是个垃圾的 ...

如果你是来吵架和抬杠的，我不奉陪，这也将是我回复你的最后一贴。如果不是，那么我们好好说话。

确切的说3458a也不是完美的设计，至少在基准板上还有提升的空间。没有任何一个商人会把任何量产的东西当亲儿子。
如果你是站在boss的层面看问题的话，亲儿子永远是钱，而不是产品，最好的“产品”永远在实验室里。产品是要换代的，升级是需要提升空间的。做一个没有任何提升空间的产品不是商人的行为。PS：保持性能不变的情况下costdown也算是提升，至少对于商人来说是。


修正：至于6581，我不了解不做评论。我之前回复你的内容仅针对惠普/安捷伦/是德品牌的表。

chenyuha

Simple，but it works确实被大家忽略过，至少谈论基准时少有人提及。

cdm21088

支持楼主精神,实际效果等楼主岀来

hgjdwx

很好的思路！支持一下！

fffofo

采用接插件方式主要是基准需要老化筛选和批量生产之间的权宜之计，确实对性能有影响，接触电阻是一方面，引脚应力变化也有关系。
换ltz1000基准有不少坛友都做过的，我也做过，总体感觉噪声峰值略有下降（大概1-2uv的样子），看来瓶颈还是在积分ADC，温飘也只是略有改善（lm399的温飘可以做到0.2ppm），问题估计还是网络电阻和其它元件的影响。但长稳就没去做了。
期待lz深入细致的测试结果，给广大坛友造福。

Pisces_Hades

fffofo 发表于 2016-6-3 16:03
采用接插件方式主要是基准需要老化筛选和批量生产之间的权宜之计，确实对性能有影响，接触电阻是一方面，引 ...

34401我不知道，但34465换个基准是可以做7位的，硬件架构和34470完全相同就是基准换成了LTZ1000，而且34465的校准证书上是出的8位数据。所以改造肯定是值得的。

thy888

接触电阻可以在电路设计上予与抵消，原来的插座上有负电压供给，做一个回路电流抵消电路，接触电阻就可视为0

Pisces_Hades

thy888 发表于 2016-6-4 13:48
接触电阻可以在电路设计上予与抵消，原来的插座上有负电压供给，做一个回路电流抵消电路，接触电阻就可视为 ...

这部分电路设计出了一个要命的问题，设计的时候没有考虑到实际的工程问题，现在至少需要改一版才行了。