简单易做的 LM399 10V 基准，暨某 399 10V 成品简评

washu

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




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 ... =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



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

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


说好的高精度呢？

难怪这位坛友会有“基准不准”的感觉了

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 ... p;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 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

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


因此这几天没事干，干脆设计一个 简单易做的 LM399 10V 基准

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



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

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 而且这个调整是非常简单，但又非常可靠的。

washu

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



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



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



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

washu

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



你要的全零



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

红河310

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

youngchun

终于完成了

电压没调得那么仔细，稍微大于10好计算。

林强

一般三位半就够了

washu

今天东西到齐了，试装实测一下

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



再换个 399AH



再调调



还是妥

washu

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

wakakasa

不会做，出个成品吧

youngchun

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。

washu

简单易做的 LM399 10V 基准原理图


PCB 图

washu

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 当然我的表是没计量过的，无任何保证...

washu

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”

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

youngchun

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。

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。

washu

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 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 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

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。

washu

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

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 后边的照样是普通贴片没问题。

5free

哇，楼主又出新作。精华在设计

youngchun

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 ，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。