01?LM399H參考電壓源

一、前言

手邊這顆高精度參考電壓源是從一臺分析儀器中拆卸下來的。它的型號為 LM399H。它具有四個(gè)引腳，似乎外部的塑料殼僅僅是其保溫層。在外殼邊緣有一個(gè)凸起，這樣便可以確定它的管腳功能定義。數(shù)據(jù)手冊上給出了從凸起開始，逆時(shí)針為管腳1到4.下面對于這顆參考電壓源的功能特性進(jìn)行測試。

二、測試結(jié)果

為了便于測量，使用四芯扁平電纜將 LM399H 引到一個(gè) 4PIN 的插針上。這樣便可以借助于面包板進(jìn)行測量。根據(jù)焊接的順序，可以確定四個(gè)插針的管腳。紅色定義了第一個(gè)管腳，從上往下分別是1,2,3,4 管腳。

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中定義的功能，在 1,2 管教之間為一個(gè)6.95V的穩(wěn)壓二極管。4，2 之間存在一個(gè)二極管。4,3 之間存在一個(gè)加熱齊納二極管。從3 到 1 之間存在一個(gè)導(dǎo)通回路。使用數(shù)字萬用表測量，在1,2 之間可以測量一個(gè)單向?qū)ǖ耐?，前向?qū)妷簽?0.891V。在4,2 之間存在一個(gè)單向?qū)ǘO管。前向?qū)妷簽?0.691V。在3,4之間 ?也是一個(gè)單向?qū)ɑ芈贰Ｇ跋驅(qū)妷簽?0.575V .。

測量1，2 管腳之間的穩(wěn)壓特性。使用一個(gè)上拉電阻 連接1管腳到正電源，電阻使用10k歐姆，利用萬用表測量1,2 之間的電壓。電壓幅值為 6.938V。下面通過編程，逐步升高工作電壓，測量1,2 管腳電壓變化情況。

記錄工作電壓與輸出電壓曲線，當(dāng)輸入電壓大于10V之后，輸出電壓便開始穩(wěn)壓在7V左右。在7V 到10V之間，輸出電壓隨著輸入電壓的增加逐步上升。繪制 10V 到 15V之間的曲線?？雌饋磉@個(gè)變化還是蠻復(fù)雜的。后面輸出電壓上升，應(yīng)該是穩(wěn)壓二極管電流增加引起的。通過計(jì)算這個(gè)曲線的變化率，再根據(jù)負(fù)載電阻為 10kΩ，可以計(jì)算出 LM199的動態(tài)電阻為 2.39Ω。對照LM399數(shù)據(jù)手冊，這比手冊中給出的 1歐姆的動態(tài)電阻大了2倍多。

▲ 圖1.2.1 輸入電壓與輸出電壓

▲ 圖1.2.2 輸入10V之后的輸出電壓變化

三、加熱電流

下面測量內(nèi)部加熱齊納管電流特性。將 3管腳連接到工作電源。測量不同工作電壓下，工作電流的變化情況 。由于穩(wěn)壓管本身的工作電流比較小，所以測量到的工作電流大部分是加熱齊納二極管的工作電流。從測量結(jié)果來看，只有當(dāng)工作電壓超過 8.5V之后，工作電流才大幅度增加，這說明加熱器件的確是一個(gè)齊納二極管。當(dāng)電流達(dá)到最大值之后，隨著電壓增加，加熱電流下降。這說明內(nèi)部具有恒溫功能，于是，加熱d電功率維持恒定，從而使得消耗的加熱功率保持恒定。

▲ 圖1.3.1 不同電壓下的加熱電流

??繪制在加熱情況下，不同工作電源電壓對應(yīng)的穩(wěn)壓輸出，整體上與前面單獨(dú)穩(wěn)壓二極管的曲線是相同的。繪制出 10V之后的曲線，這部分穩(wěn)壓特性發(fā)生了變化。根據(jù)該曲線的斜率，可以計(jì)算出對應(yīng)的動態(tài)電阻。動態(tài)電阻為 1.619歐姆，這比不加熱情況下對應(yīng)的動態(tài)電阻變小了。但比數(shù)據(jù)手冊給定的電阻值1歐姆，還是大了 60% 左右。

▲ 圖1.3.2 輸入電壓超過10V之后對應(yīng)的輸出電壓

四、溫度測試

1、沒有內(nèi)部加熱

下面使用熱風(fēng)槍，給參考電壓源加熱，模擬外部溫度變化。LM399H給定的工作電源為 15V。先不使用它內(nèi)部的恒溫加熱電路。測試加熱過程中輸出電壓。先加熱1分鐘，溫度可以上升到 130攝氏度，然后再撤除熱風(fēng)槍，使其自然降溫。使用DM3058測量穩(wěn)壓輸出。輸出電壓隨著溫度增加而發(fā)生變化，在加熱過程中，輸出電壓上升，降溫過程中，輸出電壓下降。在這個(gè)過程中，電壓變化了 6.5mV。

▲ 圖1.4.1 使用熱風(fēng)槍加熱以及撤銷熱風(fēng)槍對應(yīng)的輸出電壓變化

2、使用內(nèi)部加熱功能

將LM399H內(nèi)部齊納加熱二極管連接到15V的工作電源上。重新測量參考電壓源在熱風(fēng)槍加熱下對應(yīng)的電壓輸出，此時(shí)，對應(yīng)的參考電壓源外部的溫度從 30到130攝氏度之間變化。輸出結(jié)果讓人感到驚訝?？梢钥吹皆谡麄€(gè)的升溫和降溫的過程中，輸出參考電壓變化不超過 0.5mV。因此 LM399H的高性能來自于它內(nèi)部的恒溫功能。

▲ 圖1.4.2 帶有內(nèi)不加熱情況下溫度變化過程

※ 總??結(jié) ※

本文對于高精度參考電壓源 LM399進(jìn)行了測試。它內(nèi)部帶有齊納加熱二極管，能夠?qū)Ψ€(wěn)壓二極管進(jìn)行恒溫。從測量結(jié)果來看，當(dāng)外部溫度從 30攝氏度 變化到 130攝氏度的過程中，增加了內(nèi)部恒溫之后，輸出電壓變化不超過0.5mV。從這里來看，內(nèi)部的恒溫控制，是LM399H能夠輸出高精度參考電壓的關(guān)鍵。但與此對應(yīng)，該參考電壓源的功耗也非常高。

▲ 圖2.1 內(nèi)部加熱對于輸出電壓的影響

參考資料

[1]LM399: https://www.analog.com/cn/products/lm399.html