参考放大器SZA263与超级电压基准LTZ1000

原著:张利民

这两个高准确度稳压器都是很有历史、很有来头的顶级电压基准集成电路。事实上,除了这两个基准(以及替代品)外,其它的基准在性能上都被远远的抛在后面。

生产厂家,SZA263是Motorola,最早见于1974年生产的Fluke 731A电压转移基准上;LTZ1000为Linear公司约1980年出品。

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多年来有个误解,就是这个参考放大器是Fluke自己的,原因是早期Fluke一直自己这样说。事实上,Fluke不是IC生产商,以前也比较小,都是采购的。在很早的以前,Fluke还没有固态电压基准器的时候,其校准器(比如335D)用的是德州仪器公司的东西,这个时候Fluke很自然的称呼其为参考放大器。只是到了固态电压基准器生产的时候,其手册中缩写成Ref-Amp。因此,“参考放大器”一词,指的就是这个Fluke定做的器件SZA263,而不是一个电路或者一个单元。

SZA263是一个类似国产3DG12/3DK4/2DW7C外形的金属封装的集成电路,外部为4脚,内部包括一个深埋低噪音稳压管和一个用于补偿放大的三极管。稳压管和三极管电流分别可调,这样可以取得接近0温度系数点。与国产的2DW7C/2DW234比,补偿器件从二极管变成了三极管。
下图为原理图和731B内藏在电阻中间的SZA263:

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SZA263仅见与Fluke比较早期的计量仪器中,而且是被Fluke大量采用,其中5440A/B还用了两套进行串联。1993年以后,Fluke把这个参考放大器换成了Linear公司的LTFLU-1,管脚兼容。这个器件也同样查不到任何资料,看来也是Fluke向Linear公司定做的。
下图为Fluke 732B电压基准内部简化电路,其中RefAmp和R401、R402是成套的,R402=11.42k固定,R401要跟着RefAmp的电压走,计算公式是:
R401=R402 * (V10/Vr-1)
其中Vr为RefAmp的电压,V10就是10V。

超级基准LTZ1000的内部要复杂得多,不仅有类似的补偿三极管,而且有片内恒温功能,包括温度检测、加热器和绝热外壳。因此,若非恒温使用的话比SZA263外围电路要简单得多,体积因此也可以做的更小。外部封装上是金封8脚。

从器件本身的年稳定性看,都是一样的为1ppm。但从外电路的依赖特性上看,LTZ1000要好得多。
在SZA263的电路中,最关键的外围器件是电阻是R401(6.2k)和R402(11.42k),负责把10V分压成大约6.5V,把上述公式变换一下是V10=Vr * (1+R401/R402)。通过简单的计算可知,R401或者R402变化了100ppm,对输出的影响是35ppm。而对于LTZ1000而言,最差的情况下,电阻变化100ppm,也只对输出有1ppm的影响,相差了30多倍!换句话说,超级基准对外围依赖很小,即便某个电阻因为老化改变了0.03%(=300ppm),最终输出也就是改变了3ppm并不大,但对参考放大器而言,R401要是变化0.03%那输出就是变化了100ppm了。 当然,并非说LTZ1000就完全避免了这个问题,因为输出是7V,总要通过某种方式升到10V。只不过超级基准的可以做得更独立、更有选择性。参考放大器靠内部电阻升压没有选择。超级基准可以选择电阻升压、统计电阻升压或者PWM升压,甚至有些场合不需要升压直接使用。

从应用范围上看,SZA263只由Fluke使用。这个电路非常经典,以至从最开始直到现在的Fluke的计量仪器上,电路和关键器件都没什么改动。
731A/B是Fluke最早使用SZA263的,没有恒温,只利用其温补功能。但是,此时Fluke刚开始使用SZA263,对这个器件了解的不多,稳定度指标仅定为30ppm每年。根据自己对三个不同的731B的测试,这一指当时标定的比较保守,实际可以达到10ppm每年之内。

后来Fluke从1981年开始设计生产732A,与上一代比,最明显的改动就是增加了恒温槽,稳定性指标为6ppm/年。这个提高并非器件水平的提高,也不是恒温的作用(恒温只解决温漂,不解决时漂,反而有反作用),只说明Fluke对这个器件有了新的认识。然而,后来Fluke把732A的指标修改到3ppm,尤其是732B出来后仍然在电路原理和关键器件没有变动的情况下修改成2ppm/年,就过分了,因为实际上很多基准根本达不到这个指标。


Fluke另一个经典的校准仪是80年代初开始生产的5440A/B,采用了两个SZA263电路进行串联,效果增进40%。指标是4ppm/年,内部控制在3ppm/年,分配给基准部分、PWM部分和输出部分各1ppm。由于采用了PWM(脉宽调制)进行电压变换,因此稳定性大大提高。这一指标其实还没有被突破过,只是到了5720A(也是用类似的PWM)也就是平了这个指标而已。之所以5440可以做的这么好,是因为在电路上采用了无电阻升压的方式,直接输出基准电压。


LTZ1000是一个公开器件因此用的就比较广泛,比如绝大多数8位半万用表(包括Fluke的8508A)的内部基准,Wavetek 7000(现Fluke)电压基准,Datron 4910电压基准。之所以称呼为超级基准,也是因为Linear自己这么叫而已(Ultra Precision Reference)。

从可获得性看,超级基准生产了近30年而且一直在生产,不仅可以申请到样品、买到新品,而且二手的也比较多。在淘宝上搜一下“LTZ1000ACH”一般能出来好几个。拆机的LTZ1000单价从30来元一直涨到目前的60多元,大部分是明显的短脚拆机的,少部分是处理过的(管脚加长)。这些LTZ1000要么是从仪器上拆下来的,要么从试验LTZ1000的设备中选择淘汰的(比如选择高温下低漂基准,3458A HFL)。无论如何因此可以看出这IC用的还是很广泛的。只不过一段时间这IC有些供不应求,价格一度涨到190元/只,前几天我找到一家好不容易买到38元/只的20只,已经被瓜分完毕。

从LTZ的典型电路可以看出,需要一个双运放完成对温度误差信号的放大和恒温驱动,也通过对稳压管电流信号的监测来达到有源低内阻输出的目的。对外围要求不算高,因此运放采用LT1013这种中等精度的就足够了。LTZ1000实际上有两个不同的后缀,一个是ACH另一个是CH。前者内部带有绝热材料,这样对环境依赖比较小,但内部温度要稍高一些。后者要求外部绝热,对业余使用稍有难度,因此一般都选择前者。选择后者的例子是Datron 4910电压基准(指标1ppm/年,保持了很长时间的稳定性记录,直到被另一个也使用超级基准的Wavetek 7000系统超过)。
对LTZ1000超级基准的副面评价,主要是外围电路复杂。不过,如果去掉恒温部分能够简化一半,这样作为温补用法也可以抵挡一阵了。

从输出电压看,参考放大器比较低而且离散比较大,一般是6.5V到6.95V之间。而LTZ1000的输出比较高、离散比较小,一般在7.0V到7.15V之间。

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