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LTZ1000超级电压基准的原理及应用设计

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发表于 2009-9-20 21:05:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、LTZ1000电压基准简介:
    LTZ1000是Linear公司在20世纪80年代开始生产的电压基准元件。片内集成了温度传感器和加热器,使它的温度系数达到0.05ppm/℃。由于它的温度控制部分在片外,因此温度可以随意设置,相比与LM399这样的片内恒温控制基准,应用更加灵活。该器件的齐纳管采用了深埋技术,PN结在硅片表面以下一定深度处,免受外界污染,取得了非常高的电压稳定度,达到了惊人的1ppm/年。鉴于其优秀的性能指标,我们完全有理由称它为超级电压基准!

LTZ1000分为LTZ1000CH和LTZ1000ACH。LTZ1000ACH内带绝缘材料,热阻为400℃/W,对环境的依赖比较小;LTZ1000CH不带内部绝热,热阻为80℃/W,要求外部有较好的绝热措施。HP3458八位半万用表基准选用LTZ1000ACH;爱得万R6581T八位半万用表,迪特朗1281八位半万用表和4910电压基准均选用LTZ1000CH。业余使用,选择LTZ1000ACH相对简单。

二、LTZ1000的构造:

    LTZ1000的外形:

   
(原文件名:IMGP9817.JPG)

   LTZ1000内部结构:


(原文件名:IMGP9830.JPG)

    LTZ1000的清晰内部结构(该图由38度发烧论坛网友haisens拍摄):


(原文件名:3_48_264faef13007b5a.jpg)



LTZ1000的齐纳二极管位于正中间,周边是双极晶体管,一个与齐纳二极管串联,另一个独立用作温度检测,外围有圈状的加热线圈。


它的管脚排列如图所示:




(原文件名:000-6.JPG)


齐纳二极管与晶体管Q2的eb极串联,6V左右的齐纳二极管反向击穿有+2.0mV/℃的温度系数,而晶体管eb极的PN结有-2.0mV/℃的温度系数,原理上讲两者串联可以抵消温度系数,达到零温度系数,但实际中因为器件的离散性,这样的组合不可能达到真正的零温度系数,因此需要精密的恒温才能得到较好的温度系数指标。晶体管Q1用于温度检测,与加热线圈配合用于恒温控制。

温补最好的稳压管是1N829,温度系数可以小于3 ppm/℃,我实测1N829的电压是6.2V,从这一点看最佳的补偿后电压应该是6.2V左右,国产的2DW233温补齐纳也是6.2V左右。但LTZ1000的标称电压是7.2V,实测大部分在7.1V左右,这样的电压值不能获得最佳温度补偿,温漂性能应该较差!我实际测量了部分LTZ1000CH器件,去掉恒温后它的温度系数为35 ppm/℃左右。为什么LTZ1000的稳压管温度系数做的这么“差”?我估计这个肯定是故意而为之,或许LTZ1000的恒温控制非常优秀,只要控制精度达到0.001℃以上就可以保证恒温后电压温漂小于0.05ppm/℃了。或许在这个电压下可以增加它的长期稳定性,降低噪音等等,具体的也只有设计LTZ1000的工程人员才知道其中的原因。


三、LTZ1000的典型应用和工作原理:

    LTZ1000的数据手册:点击此处下载 ourdev_483189.pdf(文件大小:429K) (原文件名:LTZ1000.pdf)

    LTZ1000手册中文翻译稿:点击此处下载 ourdev_483915.pdf(文件大小:1.43M) (原文件名:LTZ1000pc_v2b.pdf)

    LTZ1000的官方推荐电路:


(原文件名:untitled.JPG)

    R1用于给稳压管提供偏置电流,稳定电压直接从3、7脚就近获取,避免PCB铜箔上的压降影响。运放A2同向和反向接4、5脚,如果输出电压变大,稳压管电压不变,R1上电压变大,流过Q1的基极电流增大,流过Q1集电极C的电流增大,导致Q1集电极C电压降低,运放A2输出电压降低,3、7脚间输出电压降低,回到稳定值。如果输出电压变小,反馈过程相反。由于输出电流由运放提供,并且电路有很大的负反馈,所以该电路的输出阻抗较小,而且不怕短路的影响,因为运放本身有过流保护。
     从电路结构看,R1和R2对电压的稳定性有影响。数据手册说明R1变化100 ppm会导致输出电压变化1 ppm,R2变化100 ppm会导致输出电压变化0.3 ppm。因此R1和R2应该选择高质量的电阻。

     Q2和运放A1用于恒温控制,Q2的be极PN结用于温度检测,PN结具有约-2.0mV/℃的温度系数,线性度和稳定性都非常好,很多电路都产用PN结的这个特性进行温度检测。获得很好的效果。R4、R5分压后得到电压应该等于恒温温度下Q2的be极电压。如果温度上升,Q2的be极电压降低,流进b极电流增大,流过Q2集电极C的电流增大,集电极C电压降低。运放A1输出电压降低,驱动管2N3904驱动电流减少,加热线圈的功率下降,恒温温度下降,回到稳定值。如果恒温温度降低,反馈过程相反。该电路的温度控制精度达到0.001℃以上才可以保证输出电压温度系数的0.05ppm/℃指标。
     由于R4、R5的分压决定了恒温温度,因此R1、R5应该选择温度系数接近的高品质电阻,保证分压的稳定,手册上说明,R4、R5分压比的100ppm变化会导致输出电压变化1 ppm。HP3458电压表里R4=13K,R5=1K,恒温温度约为80℃。业余制作电压基准没必要这么高的恒温温度,因为恒温温度越高,器件老化越快。可以取R4=12K,R5=1K,恒温温度约为48℃,可以适应38℃以下环境温度的使用。
     恒温电路的其它阻容元件对输出电压无影响,可以选择普通元件,但驱动管建议选用电流较大的三极管,比如S9013,S8050等,实际测试发现更换不同的驱动管会导致输出电压的变化,因此驱动管应该选择稳定性较好的晶体三级管。

     该电路设计的最大技巧在于恒温控制和稳压电路的供电电源取自电路的7V稳压输出,最大限度的减少了供电电压变化对电路的影响。尤其是R4、R5的分压后电压精度,该电压直接影响恒温温度,继而影响输出电压。

四、LTZ1000实际应用电路设计:

    根据实际情况,对以上电路略微改进,设计了基于LTZ1000的电压基准电路:ourdev_483169.rar(文件大小:151K) (原文件名:LTZ.rar)
   
     PCB结构如下图:


(原文件名:8.jpg)

     LTZ1000用纳粹符号这样的结构孤立,提高PCB的热阻,减少外界环境对LTZ1000的影响。纳粹符号周边用大面积铜箔匀温。

     发热元件S9013和1N4007远离关键元件并且在适当的位置加阻热开孔,减少它们的发热对电路关键元件的影响。整个PCB面积较大,利于散热,可以减少元件之间的影响。

     电压基准用专线取自LTZ1000的3、7脚,避免稳压管偏置电流在铜箔上压降的影响。

     完整电路如下图:

(原文件名:3.jpg)
     官方电路中的R1由这里的R1、R2并联代替,官方电路中的R4由R4、R5、R12*串并联代替,这样做的好处是可以方便地对相关参数进行调节。选择R4=10K,R5=2K5,R12*=10K,它们串并联等效阻值为12K,此时LTZ1000的恒温温度是48℃左右。如果去掉R12*=10K,它们串并联等效电阻为12K5,此时的恒温温度为55℃左右。恒温温度高有利于适应高温下的使用,恒温温度低可以减缓器件的老化速度,恒温温度根据需要可以通过选择R4、R5、R12*阻值灵活调节。

     对输出有影响的电阻全部选用高品质的AE或者VISHAY塑封电阻,温漂小于5ppm/℃。非关键性的阻容元件也选用高质量的元件,以增加电路的可靠性。

     由于输出电流由运放提供,该电路对供电电压不敏感,实测电源电压在9V-15V范围内变动,6位半的精度上测不出输出的变化。

     该电路工作时的温度分布(产用LTZ1000CH):
     
(原文件名:ourdev_476582各个各个 拷贝.jpg)
     

      基准电压的短期和长期稳定性需要使用的网友来评测!!!请大家试用后及时将数据上传评测。
发表于 2009-9-20 21:16:56 | 显示全部楼层
抢个沙发先^_&
 楼主| 发表于 2009-9-20 23:33:56 | 显示全部楼层
以上分析如有不当之处请指出修改!
发表于 2009-9-20 23:34:21 | 显示全部楼层
好资料,谢谢
发表于 2009-9-21 18:34:37 | 显示全部楼层
学习
发表于 2009-9-21 23:58:02 | 显示全部楼层
文件格式: PDF/Adobe Acrobat
[LTZ1000 中文资料翻译整理自官方PDF,by www.pccopy.net Ver0.99bata2b 2008.08.16. 特别鸣谢LYMEX 先生百忙中抽空校正和无私热心的帮助]

http://www.moon1.cn/download/LTZ1000pc_v2b.pdf
http://www.moon1.cn/download/LTZ1000pc_v2b.pdf
 楼主| 发表于 2009-9-22 12:24:42 | 显示全部楼层
谢谢5楼的资料, 已经更新到一楼
发表于 2009-9-22 22:15:10 | 显示全部楼层
LT的测试有误。
实际上,R1不太重要,变化100ppm只对输出有0.14ppm的影响。同样,R3也没有LT说的那么有影响。
另一方面,LT对R2的重要性估计不足,实际上是0.4ppm。
 楼主| 发表于 2009-9-22 22:40:37 | 显示全部楼层
谢谢【7楼】lymex的指正,记得你以前有过详细的测试,可惜一直找不到。

最近我手上有废板,正好拿来测试用 ,有空的话,我好好测试一下看。
发表于 2009-9-25 00:28:37 | 显示全部楼层
学习了,谢谢!
发表于 2009-9-25 23:32:50 | 显示全部楼层
mark
发表于 2009-9-27 10:46:02 | 显示全部楼层
.
发表于 2009-9-27 10:47:09 | 显示全部楼层
贵就一个字,一分钱一分货。

(原文件名:1.JPG)
 楼主| 发表于 2009-9-27 11:19:40 | 显示全部楼层
如果是全新原装,这个价很多人还是承受的了的,请问楼上的这种全新货哪里有买?
发表于 2009-10-2 17:30:25 | 显示全部楼层
“PN结在硅片表面以下一定深度处,免受外界污染”--- 什么意思这是
发表于 2009-10-2 17:36:31 | 显示全部楼层
还有,全文一直在说的温度系数,是相对温度系数,还是有效温度系数?
 楼主| 发表于 2009-10-2 20:16:38 | 显示全部楼层
请楼上的说一下什么叫相对温度系数,什么叫有效温度系数?
发表于 2009-10-2 21:52:00 | 显示全部楼层
基准有的研究

(原文件名:000-6.JPG)  该图下面的一段话,估计是你自己的观点,做过基准IC的人都不会这么认为的。而且文中很多“温度系数”不可信
发表于 2009-10-2 23:43:23 | 显示全部楼层
楼主 一楼最后一张温度分布图是怎么测的?
 楼主| 发表于 2009-10-3 07:00:54 | 显示全部楼层
楼主 一楼最后一张温度分布图是怎么测的?

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用红外辐射温度计
 楼主| 发表于 2009-10-3 07:08:01 | 显示全部楼层
基准有的研究

(原文件名:000-6.JPG)  该图下面的一段话,估计是你自己的观点,做过基准IC的人都不会这么认为的。而且文中很多“温度系数”不可信

*************************************************************

这两段话确实是我的个人观点,关于这个问题,我是在实验过程中发现的,我本人对半导体基础理论并不熟知,只能靠测试来验证猜测了,目前我已经准备了30个2DW7系列;2DW230-234系列稳压管,1个1N829,一个LM399,一堆的LTZ1000CH和ACH,只要一有时间就着手相关测试,验证我的猜测是否正确。
发表于 2009-10-3 22:35:46 | 显示全部楼层
那篇号称鼻祖的文章,感觉像在给Linear公司做广告,标题就富有鼓动性,尤其是篇末最后一句:应该优先购买

关于1PPM/年,它的测试设备的复杂就不说了,单说结果,数值有分散性,它取的是平均值,而且是“预热”了几个月后的最平稳的一段曲线,就这最平稳的一段曲线,其中最大和最小的误差近2个PPm,温度稳定性的测试是在很窄的一段温度范围内进行的,其间的跳跃也很大,作者把这些全归因为 系统或者环境有“不确定”因素影响造成的,故排除,这样排除可能很客观,也可能不客观。

在上个世纪八十年代能达到这种水平是个突破,最大亮点稳定性是以大功耗,工艺复杂等为代价。现在的价格低廉的mos工艺也可以做到了。
 楼主| 发表于 2009-10-3 22:45:13 | 显示全部楼层
现在的LTZ1000做的7V基准基本上指标都在1ppm/年。你可以查阅相关资料。
发表于 2010-8-11 17:57:33 | 显示全部楼层
标记,这个替代LM399是没有问题了,就是价格贵的太离谱了
发表于 2010-8-14 17:18:41 | 显示全部楼层
mark
发表于 2010-8-14 19:10:53 | 显示全部楼层
这个。。。好贵啊。
发表于 2010-11-15 14:30:35 | 显示全部楼层
真是好东东。。。长了见拾了
发表于 2011-6-2 18:39:19 | 显示全部楼层
回复【楼主位】jj3055
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楼主能不能说一下为什么要加泡沫垫?
 楼主| 发表于 2011-6-3 07:53:33 | 显示全部楼层
LTZ1000在经过环境风吹的时候导致管脚温度不均匀,热电动势不平衡,用高位表测试电压会有少许波动。
说白了就是防风,改善短稳。
发表于 2011-6-5 15:07:14 | 显示全部楼层
回复【28楼】jj3055
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谢谢!!!受教了!!!
发表于 2011-6-5 15:51:34 | 显示全部楼层
remind
发表于 2011-6-17 11:57:15 | 显示全部楼层
这个,太nb了吧
发表于 2011-6-19 23:48:10 | 显示全部楼层
学习
发表于 2011-10-8 16:57:25 | 显示全部楼层
请教一下楼主:

LTZ1000初始精度 (原文件名:LTZ1000初始精度.png)
请教一下楼主:
LTZ1000初始精度好像不是很高,使用时是否先校准后再使用?LTZ1000特色在于其非常低的温飘特性,而非初始化精度?
发表于 2011-11-13 00:37:32 | 显示全部楼层
mark
发表于 2011-12-7 20:28:50 | 显示全部楼层
太疯狂了 ,基本原理不难,可人家的材料学,得投入多少人力,物力
发表于 2012-6-24 15:43:15 | 显示全部楼层
以前好象有专门的基准版块,改版以后找不到了,靠搜索才找到这里...
发表于 2012-7-10 19:17:36 | 显示全部楼层
38度卖完又来这里推销
发表于 2012-7-10 19:25:30 | 显示全部楼层
BOBOD3610 发表于 2012-7-10 19:17
38度卖完又来这里推销

搞错了吧?当时是一起开始的。。。

你回帖就不看下楼主是什么时候发帖的??
发表于 2012-8-9 11:21:02 | 显示全部楼层
太疯狂了
佩服、佩服
发表于 2012-8-10 10:09:33 | 显示全部楼层
楼主,你的基准有出售吗?PCB也行
发表于 2012-8-19 23:35:24 | 显示全部楼层
学习学习
 楼主| 发表于 2012-8-20 06:09:26 来自手机 | 显示全部楼层
huayuliang 发表于 2012-7-10 19:25
搞错了吧?当时是一起开始的。。。

你回帖就不看下楼主是什么时候发帖的?? ...

38度的几位大佬看我不顺眼,那位是故意过来砸场子的。
 楼主| 发表于 2012-8-20 06:19:21 来自手机 | 显示全部楼层
liuxc 发表于 2012-8-10 10:09
楼主,你的基准有出售吗?PCB也行

基准早就出光,出了带电源的第二版,成品没等开售就完工一个定走一个。想做改进噪音的第三版,电路去年上半年就搞好了,一直沒画板子,我尽早干吧。关键元件我存了40来套,应该可以满足一部分人了。
发表于 2012-8-20 23:05:36 | 显示全部楼层
jj3055 发表于 2012-8-20 06:19
基准早就出光,出了带电源的第二版,成品没等开售就完工一个定走一个。想做改进噪音的第三版,电路去年上 ...

楼主的AD588基准什么时候开工啊
发表于 2013-9-5 14:09:09 | 显示全部楼层
不知道有出来没有。想入手一个
发表于 2015-9-15 00:28:54 | 显示全部楼层
楼主,你的基准可以出售或转让吗?
发表于 2015-9-15 10:20:44 | 显示全部楼层
jj3055 发表于 2011-6-3 07:53
LTZ1000在经过环境风吹的时候导致管脚温度不均匀,热电动势不平衡,用高位表测试电压会有少许波动。
说白了 ...

如果想做得极致,最好再设计一个恒温槽,把电路板放恒温槽里面。
发表于 2015-11-12 09:27:35 | 显示全部楼层
做高稳定度的仪器,这个真心不错。。。
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