用SZA263试验制作超稳10V电压基准（一）--THY888在广坛发的，我帮转过来！
BY2071是原北仪仿制的FLUKE 515A多功能标准源，我曾经有过两台BY2071，在几年的使用中发现其直流部分相当不错，于是对其DC 10V的输出稳定性进行了长达3个月的连续通电考核测试。结果非常不错，稳定性优于3PPM/90天，粗测温度系数也小于0.3PPM/℃。其貌不扬的BY2071有何秘笈，将其开膛破肚并未发现其特别之处，典型的国产仪器设计风格和工艺，精密点的电阻都是RX70系列的线绕电阻，工艺有些粗糙毫无精雕细琢的痕迹，更没有见到标准源中里三层外三层的穿衣恒温部件，倒是两枚摩托罗拉公司的两枚SZA263比较扯人眼球，简单看了一下分属交流和直流部分。
SZA263有何来头？放狗一搜，方知SZA263是福禄克公司委托IC厂定制的一个基准器件，在福禄克公司的相关文献中称其为参考放大器。该公司从1970年代的初期就开始在开发的多位表和多功能标准源中大量使用。三十余年来，福禄克工程师执迷不悟地一直使用它，尽管后来有了LTZ1000ACH这类优秀的基准器件出现。难道是福禄克的工程师不能与时具进，还是SZA263使用灵活，适应面广，放之四海皆准不成。由此萌生了用SZA263制作10V基准的念头。
网络上有关SZA263的应用资料非常有限的，在福禄克公司的产品说明书中有只言片语的介绍。仔细研读了福禄克公司的《校准理论和实践》一书，并参考了FLUKE 515A和732A的应用电路，拼凑了图1上部所示的电路图。核心器件就是所谓的参考放大器SZA263，4条腿CAN封装，它的内部电气连结图见图1右，里面仅包含了一个正温度系数的齐纳二极管和一个NPN型的三极管而已。参考电压Vref是齐纳二极管的击穿电压和三极管B-E结的正向导通电压之和。由于硅材料PN结的正向压降有-2.1～2.5mV/℃的负温度系数，在一定程度上可以抵消齐纳二极管的正温度系数，Vref被补偿后具有了零温度系数的性能，当然零温度范围还是相当有限的。也许对大名鼎鼎的1N829A大家不会陌生，其零温度系数的性能原理也是如此，在Solartron 7150/51,7071/81,Datron 1061/65/71/81高位表中，4000系列多功能标准源中独领风骚10余年。齐纳二极管的电流对其产生的电压有相当大的影响，提供齐纳二极管的电流要求相当稳定。由于SZA263的特殊结构，内部齐纳二极管的电流可以相对独立，实际运用中使Iz远远大于Ic,尽管Ic可能会有变化，但对Iz来说可以忽略不计。SZA263的三极管还可以组成前级的误差放大器，其增益可以有高达1000倍以上，10V输出的微小变化ΔV都可以得到有效的放大。
图1下部是串联型稳压电源的典型电路图，对比图1上何其相似，可以说SZA263的应用电路就是串联型超级稳压电源。只不过器件和工艺远远优于一般的稳压电源罢了，因此可以用通用的串联型稳压电源的理论来分析和认识SZA263的应用电路。
1.取样电路，由电阻R1和R3组成，连结在10V的Hi和Lo输出端子上形成分压电路，电路中的一切原因造成的10V输出电压的细微波动ΔV，均会被采样到，送到后面的参考比较放大电路。电阻R1和R3的温度系数和长期的稳定性对10V的输出有至关重要的作用，是最后的把关口，前面原件的影响所造成的后果包含在了整过的稳压负反馈回路中，可以被整个深度的负反馈电路在一定程度的修正。这两个电阻的选取遵循以下的原则：
R3/R1+R3=(Vz+Ube)/Vo
式中Vz—齐纳二极管的电压，Ube—参考放大器的基极发射极间电压，它们的和约7V，SZA263个体之间有差异。Vo就是目标的输出电压，这里为10V。
取样回路的电流大一些好，抗干扰能力强，以远远大于流入参考放大器内三极管的电流为宜，这样才不会导致分压比发生变化，影响稳定性。但也不能太大，否则电阻的电流热效应将会影响电阻自身的稳定性，还会消耗过大的输出电流。
2.比较放大电路，由电阻R2和SZA263内部的三极管组成。用串联稳压电源的理论分析知道，该级的放大倍数和温度系数的大小直接影响到10V的输出指标。放大倍数可以用下式表示：
-Kv=R2β/（1+β）Rz+RB+hie
式中β为内部三极管的放大倍数，hie为其输入电阻，一般300到1000欧姆间，Rz是内部齐纳二极管的动态电阻，15到50欧姆间，RB是采样电阻的并联值。一旦263选定，对其有关键的影响就是R2和取样电阻了。在FLUKE的相关资料中都要求R2与263A配套，这里的阻值一般都在100K以上，可以有大的放大倍数Kv，也使得Ic比较小，不至于对齐纳二极管的工作电流带来大的影响。
3.基准电路，由R5和内部的齐纳二极管组成。这个环节为电路提供了一个稳定性非常高的直流电压，10V输出稳定的前提条件就是基准必须稳定，后续电路的目标就是最大程度地保证该指标不被放大恶化。内部特制的齐纳二极管保证了要求。由前面的叙述我们知道，齐纳电压的稳定不能只靠齐纳二极管保证，还必须为其提供非常稳定的电流Iz，在电路中用线绕电阻接在稳定的10V输出端，由于线绕电阻具有良好的稳定性，加之10V的输出也非常稳定，故可以保证Iz具有相当的稳定性。为了实现Iz远远大于Ic,R5选得比较小，只有1.27K。
4.输出调整电路，由三极管Q1,二极管D1和D2组成，其作用是调整输出电压到设定值，相当于一个受控的可变电阻，是典型的射极输出放大器，输出电阻小，具有一定的带载能力。
在图1上电路中多一级放大，由运放LM308和电阻R4,R6组成，其作用是将7V左右的输出放大1.422倍，得到约10V左右的输出。
从以上的分析不难得出结论，对10V输出的终极影响是基准部分和采样电路的稳定性，其它部分的变化都可以被采样到，并被调整。基准已经由SZA263决定，我们无法改变和选择。我们能够努力的只有尽量用稳定的采样电阻R1和R3，特别是其比例的绝对稳定至关重要。考虑到器件的来源，标称值的电阻采用VISHAY S102系列的，特殊阻值的全部考虑国产的RX70-0.25系列，部分也可兼容使用VISHAY S102的电阻。PCB板见图2，分成两部分，采样部分独立，便于进行特殊的照顾。整个板子的尺寸不大，采样部分Φ37，主体放大部分48×42。是按照我手中的恒温槽安排的。由于考虑兼容不同封装的电阻，图中绿色部分显示是与布线规则冲突，不会影响实际的器件安装。
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发表于 2009-2-9 01:35:18
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楼主
发表于 2010-10-10 09:27:48
发表于 2013-5-22 12:25:53
