简单易做的 LM399 10V 基准，暨某 399 10V 成品简评
这几天疫情在家，设计了一个简单易做的 LM399 10V 基准它的特点是，电路很简洁，使用容易买到的器件，可以简单调到一个“比较准”的 10V :D
为什么我要设计这个东西呢？和前些天一个坛友的帖子有关：
http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2038459&extra=
这位坛友购置了一个成品 LM399 10V 基准，然后觉得基准好像不太准 :funk:
这位坛友从哪里买的我们不得而知，但假货宝上搜索 LM399 可以找到同样的玩意，我不知道是不是这个，反正当作一个“随机样本来源”吧，当然具体的商家信息抹去了，免得说我恶意攻击 :(
嗯嗯嗯，自称高精度基准，精度高达 6 位半（0.00001）...
奇葩的是，我们可以看到，首先这位坛友收到的“高精度基准”上的标签电压是多少呢，10.23346V？超过 2% 了好不好:funk:
说好的 精度高达 6 位半（0.00001）...？？？
再看看这个卖家的照片，多少呢？9.96768V？？
喂喂喂，都 3.2% 啦 :curse:
说好的高精度呢？
难怪这位坛友会有“基准不准”的感觉了 ;P
燃鹅事情还没完，过了几天，这位坛友在另一个帖子里问我，这个成品 LM399 10V 基准输出居然不稳定，也就是说它既不准，也不稳：
（14 楼）
http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=2043203&extra=&page=1
因此这位坛友将其寄给我用 HP 3458A 直接测试（10PLC、7 位半模式）：
https://v.youku.com/v_show/id_XNTkxODIzOTkyOA==.html
https://v.youku.com/v_show/id_XNTkxODI0MzEzNg==.html
可见它还真的是，非常，非常的不稳 :funk: 而且连标签上的电压，和我这里的实测电压也相差得，很大很大，大到这位坛友产生“基准不准”的怀疑的程度
对比我的一台 Voltgen 样机中的 LM399 稳定度：
https://v.youku.com/v_show/id_XNTkxNzE1MTgyNA==.html
***这位坛友另外寄了几个他用拆机 399 搭的基本电路给我测试，和我的 Voltgen 样机测试结果相当***
因此，我对这位坛友买到的这个成品 LM399 10V 基准表示“极大的惊诧”，
它怎么居然能那么不稳定也不准确就不说了，那么不稳定也不准确的“基准”，商家也有脸出来卖，还卖 148 块钱一个 :curse:
难怪有裙友说：现在随便一个阿猫阿狗会看 Datasheet 都出来做基准了 :shutup:
因此这几天没事干，干脆设计一个 简单易做的 LM399 10V 基准 :lol
实际上大家也清楚我很多年前设计过一个 LM399 基准：
它不只是能输出准确的 10V，它能从 0.000001V 到 12.000000V，以 1uV 步进输出任意电压 :D
燃鹅它制作太复杂，所以后来很多坛友都和我说，有没有简单易做的 LM399 基准，只要比如一个 10V？正好遇到上面说的那位坛友的遭遇，我想了下干脆做了那么一个设计，它：
1、电路很简洁，甚至可以用单电源供电
2、使用尽可能容易买到的，且便宜的器件
3、可以非常简单调整到一个比较高的精度
毕竟那个所谓的 6 位半高精度基准，实际上误差超过 2% 甚至超过 3%，连个 3 位半万用表戳上去都能吓死个人 :funk:
太不像话了吧？我觉得大多数坛友要求也不高，6 位半太遥远，但最起码的，你一个“高精度基准”，不能连 3 位半万用表戳上去都不准吧？
所以我的目标是，起码保证能调整到 3 位半或者 4 位半万用表的精度上 :lol 而且这个调整是非常简单，但又非常可靠的。
电路分析
前面说到，本设计核心有 2，其一是使用了 Vishay OSOPA1001 排阻，它现在比较容易以较低价格买到，具有 5ppm Track 温度系数，以及 20ppm Track 年稳定度。它当然不是最好的器件，但它是容易获得的，且经济的器件 :D OSOPA1001 内部是 10 个 1k 电阻，以 LM399 典型电压 6.95V 计，正好输出是 9.92857V，非常接近 10V，使得我们接下来的调整简单易行。
你可以使用比如 S102C 之类金属箔电阻，但它的价格更高，且不容易买到合适的阻值（比如 20k + 8.571k），但如果有，它固然更加理想，因为它的长期稳定性会好于 OSOPA 排阻，温度系数则接近或金属箔电阻更好一些。
另一个核心设计是调整网络，其实，它就是一个加法器如图所示
显然运放输出电压
Vout（VPR1） =(1 + R5/R3) * (VPR2 * R7 + V2 * R4) /(R4 + R7)
*VPR2 略高于 V1，因为仿真中加入了 LM399 内阻 R19
V2 只有两个取值，一个是接地（0V）一个是接到 Vout（取 10V 计算）。显然的，经过计算，当 R7 使用最大权重的 5k 时，
Vo=(1+ 3/7) * (7.0014317 * 5000) / 5100 = 9.805,926,7V（仿真给出的 9.805,939,8V 是因为使用了具有失调的实际运放 OP177 模型）
此时如果 R4 变化比如 +100ppm，变为 100.01Ω，代入计算，输出电压为 9.805,907,5V，变化了 19uV（约 2ppm），也就是说电阻的变化被抑制了 50 倍。
同样如果 R7 变化比如 100ppm，则输出电压变为 9.805,946V，变化率相当。
如果 R7 使用权重第三的 20k，代入计算
Vo=(1+ 3/7) * (7.0014317 * 20000) / 20100 = 9.952,284V，如果 R4 变化 +100ppm，带入计算 Vo 变为 9.952,278,9V，变化 5uV，也就是说，电阻的变化被抑制了 200 倍（抑制比等于 R4 和 R7 的比）。
从这个规律可知，从最大权重开始，5k 抑制比为 50（每 100ppm 变化 2ppm），10k 抑制比为 100（每 100ppm 变化 1ppm），20k 抑制比为 200（每 100ppm 变化 0.5ppm）...因此，20k 以后的电阻序列，其温漂和绝对值变化都不太重要，我们仅需要根据调整权重，慎重选择 R4，以及调整电阻，使得它的变化，不管是温漂还是绝对值的长期变化，不至于影响我们的设计目标即可。
显然的，对于 5ppm 温漂的设计（取 OSOPA 排阻指标）来说，调整电阻温漂哪怕是 100ppm 也是可以的 :lol 当然我们可以选择好一些的电阻，比如 25ppm 的电阻甚至 10ppm 的电阻，这样的贴片 0805 电阻也不贵，几毛钱一个。
从长期稳定性看，LM399 1 年的 3 倍西格玛大约是 10ppm（平均值大约 4ppm），也就是说，哪怕 1 年电阻飘了 100ppm，也不是什么大问题 :lol
当然如果希望尽可能好，可以考虑使用比如金属箔电阻（如果调整电阻权重较大，R4 也一样需要），否则我觉得用质量良好的金属膜电阻也可以了，毕竟这不是一个“非常精密”的设计。因此，本设计哪怕使用 0805 或 1206 的，10~25ppm 温漂的贴片电阻，也会有较好的性能。
上面两个 399 都是新的，考虑到芯慌后 399 也变得很贵了（以前也不算便宜），很多坛友包括前面那位 DIY 的，用的都是拆机货，所以我也弄了个拆机 399 测试
年份早的 399 电压低于 7V，
调整略有不同，但也很简单
结果还是令人满意 ;P
LM399 是过去式了，亚德诺收购轮胎后推出了 1399 鸡肫，再来戳一个 1399 :D
新的 1399 电压和年份相近的 399 差不多
结果还是很满意，原设计希望能简单调整到 4 位半尺度，实际上超额完成目标 :D
我就不懂那么简单的一个玩意，咋有人能做到那么差？而且，他做到那么差，还好意思出来卖 :curse:
本帖最后由 dirtyacc 于 2023-3-18 22:52 编辑
楼主。我最近看了这个老外的视频 https://www.bilibili.com/video/BV1xa411x7zx/，想先做个简单的（里面的哈蒙网络分压也有意思），先动手做个便宜的练练手（买了两个ad584都是坏的，假货宝，586是好的，但是初始精度比下面这个低）
他里面用的5V基准 ISL21009BFB850Z 怎么基准帖子里很少见呢？价格便宜参数也挺好的，用来校准4位半不用标定，ad5xx要588，但那个供电麻烦多了（我现在只有手持表，没有高位标定条件）
另外你这个LM399里面提到那个1k 电阻网络，说是便宜而且比较容易买到，我淘宝搜了一下，似乎就华扬电子有卖，15元一个，请问是价格比较合适吗？这个电阻网络将来做其它DIY也可能用到，合适的我想多买1~2个备用（说是备用，其实是这店的运费太高了，13元，能谈的吗？）
红河310 发表于 2022-12-15 21:55
第6、第7档电阻是几个色环电阻串联而成很占地方，8、 9、 10档电阻需要20M、40M、80M还没有。
瓦叔大 ...
不要那么大啊，我的原设计是 5k、10k、20k...1.28M、2.56M 而已啊 :funk:
另外前几天友人找到一个 6.79V 的 399 寄给我，经计算和实证，把上述序列头两个改成 2.5k 和 5k 其余不动，亦很妥 :D 5free 发表于 2024-8-28 10:36
收到了作品
盒子和板子狠惊艳。
我猜除了10V外其他电压都不是低内阻源，测量表输入阻抗对数值影响也得考虑。 红河310 发表于 2022-11-27 17:46
可否加个微调电位器再弄个0出来
当然5PPM温漂下这个0也稳不久，实际这板子温漂能优于5PPM吧？
用电位器就趋于下流了，那是假货宝上另一家 399 的做法，你忘了那个 PCB 只有一半是 399 嘛，还有一半呢，就是微调 ;P
你要的全零 :D
温度系数和 399 电压有关，我选用 OSOPA1001 适配的是 7V 左右的 399，偏差太大需要用权重大的电阻调整，温度系数会受到影响，前面有分析。以上面那个 399（1996 年份，拆自 GW8055）来看，5k、10k、20k 均不需要，那么最大权重 40k，和 100 欧姆电阻比就是 1:400，也就是说调整电阻会被弱化 400 倍，而 40k 电阻是 10ppm 的话，弱化 400 倍影响就是 0.025ppm，所以也就不影响 5ppm 的预期指标（该指标由 OSOPA1001 保证）。
*100 欧姆电阻也一样，如果使用电压偏差 7V 较大的 399，100 欧姆电阻也需要使用较好的 新购了个399电压比较接近7V，电阻直接从160K起步，第7个档位已经能调节到第5位小数也就是6位半10V显示下的分辨率。
目前高阻电阻还没购回，只能串联色环暂时到10M欧。还空3个档位应该可以把第6位小数调整出来。
最接近10V的两个档位
与10V（估计）电池背靠背测量10微伏位很稳定
拨动第7位读数从330微伏变到240微伏，调节了90微伏
终于完成了:)
电压没调得那么仔细，稍微大于10好计算。:D
一般三位半就够了:lol 今天东西到齐了，试装实测一下 :D
随便抓了个 399H
简单调整拨码开关
妥妥进入 5 位半尺度的说 ;P
再换个 399AH
再调调
还是妥
林强 发表于 2022-11-26 22:39
一般三位半就够了
问题是它三位半都不到啊，那位坛友买到的标签电压是 10.23346V（姑且不管标签值准不准），假货宝上找到的同款，标签电压是 9.96768V...
不要说 3 位半了，我找个指针表都不压线好不好 :curse: 不会做，出个成品吧 这几天我也分别用LM399和2DW233各做了一个10V基准。
我买了一批9K 0.1% 5PPM的电阻，所以只好在它们的基础上，用兆级的大电阻各种串并，好不容易调到10.00XXX。
用我的破表测了一下，就最后一位在跳，没有更好的表，也不知道能达到什么程度。 简单易做的 LM399 10V 基准原理图
PCB 图
wakakasa 发表于 2022-11-26 22:57
不会做，出个成品吧
已贴原理图和 PCB 图，我没有太多时间精力，建议坛友们 DIY
坛友们 DIY 好的，可以在我有空的时候（联系我）发过来简单标定 :lol 当然我的表是没计量过的，无任何保证...
本帖最后由 washu 于 2022-11-26 23:22 编辑
youngchun 发表于 2022-11-26 23:00
这几天我也分别用LM399和2DW233各做了一个10V基准。
我买了一批9K 0.1% 5PPM的电阻，所以只好在它们的基础 ...
看我的原理图，我就是特别要解决你说的“用兆级的大电阻各种串并，好不容易调” :D
本设计核心有两个，一个是 OSOPA 1001 网络电阻（10 个 1k 电阻），指标为 5ppm Track，正好用来做 399 10V 基准。
*** OSOPA1001 现在可以容易买到且很便宜（指相对于 399 很便宜），但如果实在是买不到可用 10 个等值低温漂电阻代替，比如你的 9k、5ppm 电阻。但特别的，排阻的一致性通常更好，且它的 Track 参数在长期稳定性上通常也好于独立电阻***
399 本身电压范围是 6.95V ± 4%，所以需要微调，微调是我的另一个核心设计，我设计的微调不是对升压电阻进行复杂的串并联，而是用
5k、10k、20k、... 2.56M 的 10 个电阻序列，每一个都是前一个的 2 倍，使得调整变得简单易行：你只需要根据 10V 的偏差值即可按约 190mV、95mV、48mV...740uV、390uV 往下调整，或者大约小一半多的尺度往上调整，通过拨码开关的简易组合，原设计是将 10V 至少调整到 4 位半尺度（实做看来多数 5 位半尺度可行）。
其中 5k、10k 两个电阻占权重较大，如果被启用*需要用好一点的电阻，其它电阻很随意。
*特意设计成这样的序列目的是如果 399 电压和 7V 偏差不大，可以不启用 5k、10k 两个大权重电阻，目前看来新的 399（含 1399）有较大几率不启用这两个电阻，有一定几率需要使用第二权的 10k 电阻。如果是较早期的拆机 399，需要将电压往上调（因其通常低于 6.9V，导致 10V 电压严重偏低），此时 5k、10k 两个大权重电阻通常会被使用到，所以本设计更适合全新的 399，但拆机 399 亦可使用，就是这两个大权重电阻要花点小钱钱 :P
washu 发表于 2022-11-26 23:16
看我的原理图，我就是特别要解决你说的“用兆级的大电阻各种串并，好不容易调”
本设计核心有两 ...
我的LM399是拆机老件，电压只有6.8V多点。
通过计算得到需要的阻值，结果电压大概能和计算差不了多少，主要是手上有啥就只能用啥。
还有我偷懒，用的别人的板子，没法大改了。:L
您这方法不错，事先计算了调整范围和步长。
我又买了一批RX70的电阻，但是阻值也不是很理想。还买了几个铝壳。
我准备再重新设计一版本，看能否达到预期。 youngchun 发表于 2022-11-26 23:38
我的LM399是拆机老件，电压只有6.8V多点。
通过计算得到需要的阻值，结果电压大概能和计算差不了多少， ...
你用我的板吧，除了 R4 以及几个大权重电阻，其它电阻都可以用很普通的贴片电阻的 :D
而且我刚才也分析过了，也不见得需要非常好的电阻，取决于 R4 和调整电阻的倍率，LM399 越接近 7V 这个倍率是越大的：这是按 LM399=7V、使用 OSOPA1001 设计的弱化倍率。
6.8V 你显然不能按我的原序列，需要把序列左移，也就是说第一权重需要用 2.5k，第二权重才是 5k，第三 10k.......，这样弱化倍率大约是 25 倍略小，所以我这个设计，对偏离 7V 越大的 399 越不友好 :( 不过这是可以通过更改 OSOPA 等效电阻而改动的，只是合适的电阻对不好找，我选用了 OSOPA001 而已，你有合适的其它电阻对比如阻值合适的 RX70 当然也是可以的，顶多第一第二..权重电阻多用几个 RX70 咯 :lol 后边的照样是普通贴片没问题。
哇，楼主又出新作。精华在设计 washu 发表于 2022-11-27 00:59
你用我的板吧，除了 R4 以及几个大权重电阻，其它电阻都可以用很普通的贴片电阻的
而且我刚才也分 ...
多谢老大:handshake ，我倒是很想抄你的作业，可是我还要考虑安装结构的问题，板子可能还是得自己再画一个。
我看了你的原理图，好像没见到LM399的自举电路，不知道它是怎么开始工作的，靠OP177的偏置电压吗？
重要电阻都得用低温漂的，其它电阻确实不会有太大影响，我还加了一些cbb的滤波电容。