DIY 精密测量用1mA、10mA、100mA恒流源

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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。


从恒流源的原理上看，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、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。




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。




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。


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：



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：


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：



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：





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。。。。。。。。）

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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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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：


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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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。



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。


制作完毕后的内部和外部

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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。



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：

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：



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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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。


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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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：

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）。


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）。

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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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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：



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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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。





插到732B上，如果没接负载，则LED显示红色


当正常输出10mA的时候（包括短路），LED显示绿色



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：


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：


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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10mA恒流源的使用

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10mA恒流源的其它

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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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100mA恒流源的基本电路


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。

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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：


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。


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：








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


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：




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）：



两个外置管也封了起来


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



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


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：


为了弄清原因所在，用扫描器多探针放到内部测试：



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：


最后的电路图：

lymex

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。
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。

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。

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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100mA恒流源的应用




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：









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：


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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100mA恒流源的其它

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参考资料
1、标准电流  https://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】

王珏

搬板凳坐下来学习。

hldiy

听课了

yzduch

前排！

cdm21088

学习学习再学习！！！！！！

zoo

小板凳排排坐！

sea123

中排听课

ccpoint

听课，，强帖留名

yjm2000

跟班听课

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前排听课