设计制作10V±0.01%基准源定标器

mzspring

感谢 longshort 坛友的支持，原贴由 longshort发布

需求及概要设计

　　为使四位半及以下设备能够快速定标，对四位半以上及六位半设备能够作为定标参考，研制一款±0.01%准确度的10V定标器很有必要。这样一款定标器的基本特性如下：

        １．电压准确度在±0.01%以内；

        ２．稳定度指标要求不高，但必须提供可复现的温度系数曲线；

        ３．0.1Hz~10Hz频段范围的噪声／短稳峰峰值等于优于2µVp-p；

        ４．进入准确度为±0.01%的冷启动时间不超过十分钟；

        ５．输出的负载调整率优于30ppm/mA；

        ６．输出电流±(0~2)mA；

        ７．输出电压+10V、-10V。

按上述要求，AD588可以满足初始准确度性能要求；稳定度指标可通过多个并联的方式获得可重复电压-温度曲线；噪声／短稳指标则同样通过并联方式来获得可用的数据。

BQ后缀的AD588产品，初始准确度为±1mV，相对于10V输出就是±0.01%，并且进入±0.01%准确度的时间小于1ms。如果在消噪端加了1µF的电容器，那么冷启动时间延长为60ms左右，这个时间也很短。

BQ后缀的AD588产品，在0.1Hz~10Hz频段内的噪声指标最大值是6µVp-p，要达到2µVp-p的指标，需要至少9个AD588并联使用。在9个并联的情况下，理论上稳定性指标可达0.5ppm左右，从实用的观点看，0.8ppm是个可预期的目标。

在±15V供电条件下，AD588BQ在环境温度为25°C、输出为空载时的长期稳定性指标（老化）是15ppm/√1000hr，这相当于年漂移44.4ppm。在9个并联的情况下，预期的指标可达到15ppm/year。老化漂移的方向从经验看，多半是电压值降低。对于二手的拆机品，已经过若干年的使用老化，只要器件不超标，乐观的老化率估计多半在5ppm/year左右。

供电方式可采用双15V电源变压器整流供电，也可以采用30V电源整流后经比较式均压供电，均压后通过7815和7915输出。不过考虑AD588的线路调整率为200µV/V的指标，7815和7915显然都不适合，因为1mV的输出电压波动就可能造成200nV的参考电压输出波动，这已经与要求的输出噪声指标相比拟了，这显然是个非常重要之处，必须全盘统一考虑。

几乎所有的三端稳压器都有mV级的温度系数，要达到温度或供电电压变化对参考输出的影响小于100nV，稳压电源的输出随温度的波动或线路调整率必须小于500µV/V，而整流端出来的电压摆幅最大可达5V，这就只能采用分立器件来实现了。可以考虑采用与模拟基准源一样的方法，从基准的输出来导出稳压电源使用的参考电压，这一电压的绝对值并不重要，取的是其稳定性。

AD588在±15V供电时的最大静态工作电流是10mA，那么9个器件的静态工作电流总和需要90mA，加上电源电路控制使用最多10mA电流和输出到负载的最大2mA电流，共计102mA。使用双15V或单30V电源变压器时的净总功率需求为4.7W，再考虑功率裕量和功率因素，电源变压器的输入功率至少在6VA或更高一些。当然按每个器件典型工作电流为6mA算，70mA的总电流使用5VA的电源变压器也足够了。

定标器的预定结构参数如下：

　１．电源对称分压（仅针对单30V电源变压器）分流电流最大100mA；

　２．正、负LDO最大负载电流100mA；

　３．LDO负载调整率等于优于100µV/mA；

　４．LDO线路调整率等于优于500µV/V；

　５．LDO输出电压温度系数优于±33ppm/°C；

　６．LDO输出电压13.9V或14.3V，准确度不作要求；

　７．基准输出加法点阻抗等于小于10KΩ；

　８．加和跟随器TC优于±1µV/°C；

　９．终端输出限流±2mA；

１０．基准单体分两组，一组四个器件作为基本组，另一组五个器件作为扩展组，但每个组均能以单个器件提供基准。

详细设计与工艺

　　基本的硬件结构采用三层PCB叠装方式，一层是电源，一层是基本组，一层是扩展组。三组之间通过排针连接，每条线至少两组排针并联，以加强接触可靠性。

　　稳压电源电路：



电路图中的红虚线左侧包含了电池组及其充电电路，如果不需要常年开机，这部分电路可以省略。

　　主基准电路：



　设计意图在图中已经注释清楚。
　　左边带电压微调的是基准的基本组部分，AD588BQ的最少数量为一片，最多为四片。
　　中间不带微调的是基准的扩展组部分，AD588BQ的最少数量为零片，最多为五片。
　　右边是输出合成部分。各基准的输出加和电阻与加和端的电容器形成低通滤波器。
　　AD588BQ采用二手拆机的器件，在利用它们之前已经有了平均19.5年的使用年限。正式使用之前必须对它们进行测试，并估算等效的使用年限，以便确定是否采用。下图是测试结果的部分截图，估算等效年限所用的加权因子是主观确定的：


其中8#芯片的偏移值最大，且等效使用年限最大，此芯片不予采用。

　　AD588BQ的负输出倒相使用了AE的±0.1%10K+10K孪生金属箔电阻器。这些电阻器虽然对称性比较高，但其微小的差异仍然对电压的反相有明显的影响，因此在使用前必须测出比较精确的比例，下图是将测试出的不同器件与基准芯片进行配对例子：



对配对结果进行了纸上测算，付诸实践时还进行了人工矫正。见图（数据仅供参考）：




PCB组合，分别为：上-扩展板，下左-基本板，下右-电源板。图中的基本板是用来测试芯片的，安装了一个插座：



其中扩展板在结构上是可以重复添加的，例如将芯片的总数增加到16片、25片等等，但这需要考虑稳压电源板的供电能力。

　　芯片测试用组合：


一块加了DIP14插座的基本板和一块电源板的组合，通过11mm铜柱进行连接。

　　与供电的电源板组合

九单元合照：


体积和功率允许的话，左边的扩展板还可以再增加。

　　三层叠装：


装屏蔽盒：


总装，中间用镀铝薄膜包装的是1.2Ah的37V锂离子聚合物电池，用市售带保护板的单体电池组装而成：


和其它基准有相近的外观：



测试数据及参考资料

　　测试过程从2015-11-22开始至今，大体上分成三个阶段：第一阶段2015-11至2016-06，第二阶段2016-07至2016-12，第三阶段2017-01至今。在三个阶段中得到的短稳／噪声平均值各有不同，总体上逐步降低：


其中第一阶段（A2-1）使用的设备是Solartron7065，老化比较严重，测试值存疑。第二（A2-2）及第三（A3）阶段都用的是Agilent34401A，两相比较，数据大体上可以看出趋势。
　　数据的采集是人工读值，每次采样100条记录做方差，并同时记录环境温度。在每次的记录中，还须扣除测试表当日的10V档噪声本底与0.1V档噪声本底。对于我的Agilent34401A，10V和0.1V两档的平均本底分别为0.718uVrms和0.058uVrms。短稳／噪声的所有测试结果均外推／拟合到(0.1~10)Hz频段。
　　当前短稳／噪声达到的输出平均水平是0.236uVrms，折合到峰值大约1.416uVp-p。扣除输出跟随器约0.22uVrms的噪声，得到大约85.42nVrms的合成值，这个值再乘以sqrt9，就是每个基准的平均噪声有效值水平，即约0.256uVrms，折合到峰值大约1.537uVp-p。考虑到AD588BQ的出厂指标是6uVp-p，且经过了平均19.5年的使用老化，这个结果是可以接受的。
　　按每次间隔的数据减除方式平均，所得到的定标器目前的平均电压-温度系数分别是：+10V为-2.38ppm/°C，-10V为-1.369ppm/°C。这个结果与二元回归分析的结果有一些差距，具体将在另帖描述。
　　此外，也对定标器的宽带噪声进行了测试，采样方式相同，但因为使用了交流方式测量，所以测量只持续了几天，平均后的数据为+10V是623uVrms，-10V是180uVrms，相应的测试带宽为(3~300K)Hz，测试设备为Agilent34401A，交流0.1V档。测试的结果有点大，且正负两端不同。考虑到两个放大器的组态是一样的，差异可能与放大器本身有关；放大器使用的型号是自稳零方式的LTC1050，其积分电容器与稳零记忆电容器内建，值不可调节。

　　部分参考资料：
AD588
http://www.dt830.com/thread-582-1-1.html
LTC1050
http://www.dt830.com/thread-581-1-1.html

（结束）

xo304

某个坛友的作品，感觉你的比较复杂。

wgsd

只要正常的AD588BQ，不用标定一般不会超过正负1mV，校准4位半没问题，标定后校5位半无压力，做好恒温比6位半的表温飘还小。

乐在其中110

路过留个脚印。

勇闯沙滩

网上买的就够用，用九个AD588BQ做干什么用？

camck

超豪华的阵容

echo

我有成品，可以叠装，目前用来提供5 10 15 20电压基准

ljs_0437

这个好复杂啊。

lxd7343

这个看看吧，暂时制备不起

chen131578

很专业。