用于精密恒流源的小型超稳定1V基准

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关键词：超稳定1.25V基准；微型在板恒温；低弱化系数统计电阻分压；通用恒流驱动；亚ppm短稳恒流源

第一部分：原理
常见的精密恒流源都是根据欧姆定律 I=V/R 由基准电压和精密分流器产生，为了提高短期稳定度需要选择较高的参考电压比如1V，这样热电动势和噪声相对比较低。

然而，精密的深埋型固态基准电压往往比较高，这就需要用电阻分压得到。从分压电阻对目标电压的弱化系数角度看，越大的分压比弱化越差、越小的分压比弱化越好，因此选择接近1V的参考基准有利于精密分压。好在有精密的1.25V基准存在，很近需要的1V同时可以低压供电的优势，此类商品基准包括LTC6655-1.25和REF7012，都具有0.25ppm p-p 超低低频噪声，而且都是原生的带隙基准，即没有片内的电阻分压或升压。但是，测试标明前者的噪声偏大，而且塑封的有比较大的滞后，因此最终选择了LCC封装的REF7012作为基准。

为了进一步稳定电压，采用了微型在板恒温，尽管电路简单但体积很小，这样不仅功耗低同时稳定时间也短。

“统计分压”使用了osopa1001 网络电阻，一个封装里面有10个相同的1k，分压用就很稳定。另外，接成1.25V:1V分压的时候，最差的单个电阻弱化系数是0.1，这点可以用偏微分法验证。也就是说，假如某个电阻变化了10ppm，那么1V电压最多只变化1ppm，这样就进一步提高了分压系数的稳定性。
下图为一个10V分压的例子，总电阻10k、电流1mA，分成9种情况输出1到9V，可以看到输出9V的时候弱化系数最小，输出低压弱化不大。对于1.25V到1V的分压就相当于10V到8V的分压弱化系数0.2，但网络电阻用了两两并联因此单个的电阻弱化系数就是0.1。


电路如下，最后部分包括了一个测试恒流源，从1mA到100mA可以选择在板Rs和Q1=BSS108，对于更大的恒流源（到10A）需要Q1=IRF3708同时Rs和RL外接。

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第二部分：组装
REF7012采用飞线焊接的方法，这样不仅可以方便放置到恒温槽里，而且具有免除PCB应力的效果。
引线采用直径0.24mm的wire wrapping 线即大约23 AWG

恒温槽的内部大小只有7mm x 9mm，包含了一个SOT23、一个0805、两个0603四个元件，焊完后导热脂均温并覆盖导热硅胶片，然后焊上搭棚的REF7012，最后上下用黑色泡沫防风和绝热。


下图是板子组装完毕后的测试照片，其中恒流源是1mA，Rs和RL都用1k的金属箔电阻。

3458A

终于抢到老大贴子的沙发了，认真学习一下

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第三部分：测试
安装完毕后，用恒压恒流电源限流50mA供电，这样可以防止原理性错误和元件误焊等问题。初次加电不要用锂电池，那样短路了对电池不利，也容易烧坏元件和电路板。

除了特别指明的外，所有的测试均采用DMM7510万用表的10V和1V电压档，NPLC=5，Auto Zero=On, No Filter, Input Z=Auto，Line Sync=On
按次序简单测量2.8V、1.25V、1.00V三点电压看是否正常，然后用10k电阻档测量最左边的NTC对地的阻值，换算成看是否变化和最终稳定，以下是我的测试结果。

此结果标明，恒温正常。温度大约在半分钟内上升到预定值附近，但后续上升比较慢，大概是热隔离不太好的原因。

下图为1.25V曲线，10V档测试，曲线整体很稳定，噪声峰峰值大概有3uVp-p即大约2.5ppm p-p，这个有点偏大，主要是10V档测量低压的问题。


下图为1.00V曲线，1V档测试


电压完成测试并正常后，开始测试恒流源。
先焊好Rs=RL=1k测试1mA，同时应该换成电池供电这样表对被测电路的影响可以忽略，如果用交流电源供电，应该负表笔接地或接电源。
然后手头正好有80欧的金属箔，换上去电流为12.5mA。下两图为1mA和12.5mA情况下RL的电压。


能够看到，局部噪声比1V还低，峰峰接近1ppm，这是因为用了1V档的原因。

在板电流测试完成后，测试1A恒流源，把板上的Q1、Rs、RL去掉，换成外接的TO220管和UNR 4-2020电阻，三个功率器件装在散热器上。


测试标明，1A稳定迅速，噪声低，与1mA差不多，就是有点波动，峰峰值接近2ppm，这应该属于Rs和RL有温漂的原因，必定耗散1W功率还是有点大。

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然后测试了10A，硬件类似，只是把Rs和RL换成了同规格的0R100，这样电阻功率达到了10W，距离极限50W已不太远，总功耗有37W，散热器后面加了风扇



从DMM7510的显示看，短期噪声还是说得过去，峰峰不到2ppm。但是看整体还是波动比较大，曲线有反向跳水并缓慢恢复，后来确认是RL的问题


把RL换成AE FNP-Z R1001B，跳水消失，只是曲线低头，大概率是Rs的问题。


10A的最后把Rs和RL换成AE FNP-Z R1001B，其中RL已装盒，另一个Rs简单的固定在散热器上


曲线开始的部分也不好，20分钟后才基本稳定，好在短期噪声比较低，说明电压源没有问题。

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第四部分，后续与参考
测试周期与噪声
前面提过，测试用NPLC=5并交流电同步，这样测试周期为0.36秒。
实际是NPLC-5时真正的测量周期只有0.1秒，其余的0.26秒用来自动0和同步。
对于低噪声测试常用3458A取NPLC=100，这样整个测试周期为4秒，其中2秒测试、2秒自动0点。
有个统计规律：相同条件下测试周期越长噪声就越低，噪声与周期的开方成反比。即加入0.1秒周期噪声为1，那么1秒的周期噪声就是0.316，10秒的周期噪声就是0.1。

因此可以推得，DMM7510 PLC=5的测试周期是3458A PLC=100的1/20，因此噪声是4.4倍的关系，即用3458A PLC=100噪声会是1/4.4。
这样，按照后者，上述1mA的噪声峰峰值就是0.3ppm，妥妥的亚ppm。
难怪下述参考资料1中测试用了3458A NPLC=100。


参考1，10A高精度恒流源小时稳达到0.1ppm
国家院的文章，基准直接用Fluke 732B的1.018V，Rs和RL都是从Tinsley定制的50W 0R1，
测量用3458A NPLC=100，实际噪声峰峰值为0.5ppm，0.1ppm为rms值。

A 10-A High-Precision DC Current Source With Stability Better Than 0.1 ppmh
https://docs.ampnuts.ru/eevblog.docs/_Metrology/wang2014.pdf


参考2，10A高稳定电流控制
基准采用了5V的带隙LT1027，具有0.6ppm p-p低频噪声
High Stability Current Control in the 10A Range
https://rubiola.org/pdf-articles/journal/1996im(rubiola)precision-current-control.pdf
The reference is 2V deducted from a 5V bandgap LT1027 with 0.6ppm p-p noise.


参考3，10mA参考电流基准的设计与评估
基准用LTZ1000，类似Datron 7001用了统计升压最后得到10V，Rs=1k。
Design and Evaluation of a 10-mA DC Current Reference Standard
https://cds.cern.ch/record/643294/files/cer-002399331.pdf

lg676041036

难得赶到前排，认真学习。早就想做个几A的电流源一直没动手，电阻都买好了。没想好用哪个电路。

lg676041036

大佬能用7510电流档直接看看1A和10A短稳数据吗？想看看7510的电流档能稳定到什么程度。