探寻低成本LM399电压基准的最佳电路
炭达人2022/09/04原创 仪器仪表电子技术 IP:湖北
关键词
电压基准
LM399

我打算制作一个LM399的10V基准,目标有四个

- 尽可能高的长期稳定性(15ppm/年)

- 低成本

- 准确的10.00000V输出

- 电阻和运放等器件易于购买,且货源有保障



和大家探讨一下电路设计的细节,核心是7V升10V的器件选型及可调电路,以及权衡成本和性能的设计


主要参考了3个方案,分别来自Agilent 34401A,djerickson和LM399数据手册。下面一一对比分析,然后提出我的方案



安捷伦Agilent 34401A的方案

使用了自举技术(bootstrapping ),基本思想是利用LM399自身的稳压,经过运放升压后,通过一个限流电阻R409给LM399供电,形成一个闭环

Agilent LM399.png

最大的好处是降低了限流电阻R409的要求,温度系数100ppm的电阻对LM399稳压值的影响只有0.1ppm(估算值。原来仔细算过,数量级应该是相近的)


缺点是不能输出整10.00000V


djerickson的方案

也使用了自举技术,他的亮点在于精细可调电路,可以微调到10.00000V。既实现可调,又显著降低了可调电位器可能因接触、震动和温度变化造成的分压比的变化,所带来的放大倍数的影响

djerickson LM399.png

这部分可以用matlab符号函数方法得到精确的影响程度


LM399数据手册的方案

个人觉得稳定性不如自举,因为15V电源的变化会显著影响稳压值。对于15ppm的设计指标来说无法接受

lm399 dat.png


运放的选型,34401A使用AD706,djerickson使用LT1012


个人认为这个升压运放主要看长期稳定性和温度漂移,输入偏置电流尽可能小(减小可能存在的漂移,对放大倍数的影响)


AD706的失调电压温漂是1.5uV max,0.3uV/月,输入偏置电流200pA max


LT1012的失调电压温漂是0.6uV max,0.3uV/月,输入偏置电流100pA max


可以看到LT1012优于AD706


但是LT1012的正品新货不容易买到(100元左右),我找到一款替代品OPA188,10元左右


OPA188的失调电压温漂是0.085uV max,时漂4uV,输入偏置电流1400pA max


其中温漂非常优秀,但是时漂较大。其中一个原因,我认为是**测试方法不同导致的**,ADI的方法是在25度下测一个月,而TI是在125度下测1000个小时(41天)


由于失调电压随着温度的提高而增大,如图。125度条件下失调电压的漂移远大于25度,因此不能说明OPA188的长期漂移比LT1012糟糕,还需要进一步验证

opa188温漂.png


输入偏置电流在室内环境下,根据图表,目测在200pA附近,并且根据手册指标,高于LT1012的100pA max

opa188 IB.png

总之,OPA188有价格和温漂的优势,时漂不确定,但估计在同档水平。虽然输入偏置电流略大,但真正重要的是偏置电流的漂移,目前没有数据显示这方面弱于LT1012


因此,我认为OPA188是值得尝试的,甚至有可能获得比LT1012更好的表现




关于电阻,考虑到拆机的5ppm电阻来源不可靠,和成本因素,我打算用10PPM 0805的贴片电阻做升压的反馈网络,然后可调的部分用常见的100ppm的3296精密多圈可调电位器


附录:原理图简述

综合上述方案,我设计了如下电路

lm399 10V.png

- LM399电流设置为2mA(34401A也为2mA,参考经典设计)

- R13可选择25ppm 0805 0.1%贴片电阻

- R1-R4 R5-R8两部分电阻分别构成同相放大电路的两个反馈电阻,可以灵活地调整,使输出在10V附近

- R9和VR1为微调部分,R10 R11为0欧姆跳线,若断开,则取消可调部分而不用拆焊电位器

成本方面,参考价格(2022.9):LM399全新90元,拆机45元,OPA188 10元,5ppm 0805电阻2元一颗,25ppm 0805电阻 0.2元一颗

---

早先做的LM399验证板,电路不同

lm399 pre.png

最后,想听听大家的意见,比如电路的优化,PCB布局,屏蔽,更好的器件选型,采购渠道之类的


说的不对的地方请指正,本贴长期关注,我们一起完善电路


来自:仪器与装备 / 仪器仪表电子信息 / 电子技术动手实践:实验报导严肃内容:专业科普
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~~空空如也
肖特基的救赎
1年8个月前 IP:内蒙古
908092

可以多看看油管marco reps的视频,有很多精密基准制作相关的

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1211
1年8个月前 IP:四川
908097

统计电阻如果想稳定可以用波段开关切换,有10档的贴片开关。

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炭达人作者
1年8个月前 IP:湖北
908130
引用1211发表于2楼的内容
统计电阻如果想稳定可以用波段开关切换,有10档的贴片开关。

统计电阻指的是用多个电阻拼凑出想要的阻值?

多档开关是个好思路,比电位器稳定,不过想调到10.00000V,看起来也很费劲

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amo
1年8个月前 IP:广东
908190

有基准表用来标定就好办:

调节可以大胆用普通多圈电位器,只要让电位器影响因子足够小就行。

例如10k电位器调节信号范围是0-10V,但是对输出影响只有50ppm,这样电位器的老化、温飘什么的就不是事了


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炭达人作者
1年8个月前 IP:湖北
908254
引用amo发表于4楼的内容
有基准表用来标定就好办:调节可以大胆用普通多圈电位器,只要让电位器影响因子足够小就行。例如10k电位...

对,关键是弱化可调器件对输出的影响因子


我是想用这个基准去对比高位表,50ppm有点大,六位半年稳35ppm,我希望到10ppm/年

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amo
1年8个月前 IP:广东
908255
引用炭达人发表于5楼的内容
对,关键是弱化可调器件对输出的影响因子我是想用这个基准去对比高位表,50ppm有点大,六位半年稳35...

前面说的50ppm只是说全量程调节一个电位器能控制输出变化不超过50ppm,而且只是举个例子。

实际要根据你的设备初始精度、年漂移、使用年限等参数去设计这个电位器调节范围。

以实际产品为例,某些高精度恒温晶振,电位器调节信号0-5V,只能影响晶振输出频率变化零点几ppm。所以外围电路设计,5V基准源只需普通的三端稳压7805,电位器也是普通的3296


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炭达人作者
1年8个月前 IP:瑞典
908538

注意,理论上讲,此电路存在重大隐患,正在完善



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bi7lnq
1年8个月前 IP:广东
908753

做基准不用考虑低频噪声指标和是否能带容性负载么


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炭达人作者
1年8个月前 IP:湖北
908765
引用bi7lnq发表于8楼的内容
做基准不用考虑低频噪声指标和是否能带容性负载么

需要的,下一版考虑中

有没有相关的想法,建议

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WJXHH007
1年7个月前 IP:北京
909152

我是新人,真心希望楼主能出个套件。出不了套件,多出几套pcb板也行。因超低温漂的贴片电阻并不都那么好买,视频PCB板上能不能考虑一下低温漂分立元件的预设置插孔?

另外请教一下楼主,您这个电路能不能直接用在adr1399上?能的话,据说噪音比lm399可以降低十倍。如改的话,您看如何把基准的齐纳电流调到3mA ?

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炭达人作者
1年7个月前 IP:湖北
909192
引用WJXHH007发表于10楼的内容
我是新人,真心希望楼主能出个套件。出不了套件,多出几套pcb板也行。因超低温漂的贴片电阻并不都那么好...

这个电路兼容1399


齐纳要加并联RC滤波,见手册;电阻把R13改为1k,电流就是3mA


套件短期搞不了。时间原因,至少明年,电路还会有改进和测试

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WJXHH007
1年7个月前 IP:北京
909194

谢谢回复!期待您明年的套件。

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cctv8139
11个月27天前 IP:浙江
921146

这么高精度的电压源,用什么设备来校准呢,这是个难题啊

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炭达人作者
11个月26天前 IP:湖北
921204
引用cctv8139发表于13楼的内容
这么高精度的电压源,用什么设备来校准呢,这是个难题啊

多数情况下,电压基准最看重的特性是电压的稳定性,做好之后,用高位表测量,标定

如果要让电压基准的输出电压准确,可以用已经校准好的高位表边测量,边调整至10.00000V

设备有不少,常见的是八位半的HP3458A,还有七位半的DMM7510


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cctv8139
11个月24天前 IP:浙江
921249
引用炭达人发表于14楼的内容
多数情况下,电压基准最看重的特性是电压的稳定性,做好之后,用高位表测量,标定如果要让电压基准的输出电...

感谢回复,学到了

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展同学
9个月26天前 IP:浙江
923423

能不能把核心电路装到一个保温小金属壳子里然后加一个恒温电路,一通电就恒温40度再启动功能,这样电路温漂比较小吧


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amo
9个月26天前 IP:广东
923425
引用展同学发表于16楼的内容
能不能把核心电路装到一个保温小金属壳子里然后加一个恒温电路,一通电就恒温40度再启动功能,这样电路温...

LM399就是所谓的核心电路,里面有恒温加热……

想把整块电路板都再套个恒温槽的话,要根据当地室温和LM399内部恒温值之间,取个合适的值。


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虎哥
9个月26天前 IP:四川
923426
引用展同学发表于16楼的内容
能不能把核心电路装到一个保温小金属壳子里然后加一个恒温电路,一通电就恒温40度再启动功能,这样电路温...

恒温通常依靠温度传感器(例如热敏电阻)、控制电路、发热元件等组成,有自己的特性,不能视为自然界的那种“恒温”。

恒温槽虽然有较大的热惯性,但与环境温度的变化特点还是不同的。双层恒温槽在设计时,需要考虑两个控制环路各自的特性,避免互相干架。

过去电子技术不发达的时候,普遍使用双层恒温槽来提供更准确的恒温。但现在似乎很少有人这样做了。

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量子隧道
9个月25天前 IP:美国
923439

15ppm每年做不到吧,刚刚看了下手册,手册上说是8ppm每根号(千小时)。40天8ppm,160天16ppm,冒了😂

这可能也是官方电路用外置15V和5%偏置电阻的原因。这个随随便便的电路会导致偏置电流变化大概0.1mA,查曲线会带来0.05-0.1mV的deltaV。相对7V来说,是10ppm,小于远期温飘。所以厂家就在这个地方凑合了。

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炭达人作者
9个月10天前 IP:湖北
923969
引用展同学发表于16楼的内容
能不能把核心电路装到一个保温小金属壳子里然后加一个恒温电路,一通电就恒温40度再启动功能,这样电路温...

个人DIY完全可以,外界恒温做到正负0.5度不是难事,这样下来LM399的温漂可以保证优于0.5ppm。如果找到LM399的零温漂点,温漂还可继续优化。



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炭达人作者
9个月10天前 IP:湖北
923973
引用量子隧道发表于19楼的内容
15ppm每年做不到吧,刚刚看了下手册,手册上说是8ppm每根号(千小时)。40天8ppm,160天...

根据公式算出来确实是这样,达不到


这个公式是对基准长期漂移的一种近似,在初始的一段时间具一定的指导意义。如果时间拉长到数年,跟实际情况差距较大


在经过初始的老化时间后,LM399的长稳比算出来的好


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marco36
6个月22天前 IP:河北
926691

我有4个DIY的LTZ1000基准,时隔四年用同一台34465A(LM399基准)测试,测试数据都在±3ppm以内,期间基准和万用表都是断电的。

无标题1.png

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