基准电压源的高压扩展插件

longshort

　　有了自己的基准电压源之后，就希望有一个附加的插件，使电压升高十倍，这样对于原先0.1V~10V范围的基准电压，可以扩展到10V~100V，这样就将校准万用表的档位从200mV~20V扩展到200V档。

　　插件的输入电压范围是1V~20V，输出要求为10V~200V，升压比为10。由于电压比较高，负载电阻规定最小为2MΩ，既在200V输出时的最大负载电流为100µA。基本上所有的手持式数字表和灵敏度为10KΩ/V以上的指针表都能作为被测负载。

　　电路的基本原理如下图：



　　运放的供电是24V，最高的输出电压限制为22V。BG1是共栅接法的升压级，由BG2跟随输出并将输出信号负向反馈到运放的输入。BG1的栅极接24V供电的中点，因此运放的输出变动范围在8V~12V之间。

　　完整的电路如图：



　　其中斜向红线的右侧是高压扩展插件的完整电路；左侧是在板的高压发生器。


相关参考：
　　简易基准分压源
　　变换器磁芯匝数的简易计算
　　VIPer22A的低压/微小功率应用

longshort

电路说明：

　　图中C11是电压级消振电容，使用的是高压瓷片。

　　R8和R9是实现比例升压的关键器件。R8、R9、P1串联的总阻值是200KΩ，最高承受电压是200V，因此流过的电流为1mA，总功率达到200mW。由于考虑的是廉价方案的实现，因此电阻器都选择了国产RJ14型1/4W1%精度的金属膜电阻器。由于电阻器在承受功率时必然产生热量，而热量又会对阻值产生影响，因此对于基准设备使用的部件，有必要解决因温升而产生的阻值漂移问题。

　　对于升压网络中的比例电阻R8和R9，要求在施加功率后的温度升高是一致的，这将保证在同样的温度系数下有同样的阻值变化比例。RJ14型电阻器的温升因子为0.22°K/mW。R8的阻值是R9的九倍，承受的功率也是九倍，这样在同样的电流流过R8和R9时，R8将产生九倍于R8的热量。按图中参数，显然R8上的功率将达到180mW，R9上的功率为20mW。按温升因子计算，R9的温升为4.4°K，R8上的温升为39.6°K。如果电阻器的温度系数为50ppm/°K，那么在环境温度不变的情况下，一旦R8和R9通电，R9产生的阻值漂移为220ppm，R8产生的阻值漂移为1980ppm，而结果就是R8和R9的比例大大偏移了预定的要求。

　　解决的办法就是将R8拆散，由九个180KΩ的电阻器通过三串三并组合而成。这样R8的每个电阻器规格都与R9相同，发热量一致，漂移也趋于一致，比例就趋于一致了。下图中的数据是对R8、R9、P1的测试记录，R9是实现电路中的R8，R10是实现电路中的R9：




相关参考：

　　简单有效测量电阻温漂的一种方法
　　总结一下温度测试所用的工具
　　简易基准分压源

longshort

测试状态下的板子：



和基准分压源的组合状态：



高压发生器磁芯从EE13换成EE16后，在200KΩ负载上的输出电压：



高压插件的输出信号示波器观察，X轴为5µS/Div，Y轴上部是5mV/Div，下部是20V/Div：


　　上部曲线是输出中的噪声，最大幅度约7mVp-p，折合有效值约1.17mVrms；扩展器电路处于无输入时的中点约119V，则噪声为9.8ppm，或-100dB。这是测试时达到的最好指标。

相关文档：

　　 高压扩展插件.pdf (125.52 KB, 下载次数: 1054)

2011-11-22 09:47 上传

点击文件名下载附件

　　 小型电阻器温升因子表.pdf (45.5 KB, 下载次数: 1015)

2011-11-22 09:47 上传

点击文件名下载附件

xjw01

我觉得，BG1提供的增益有可能太大，对整机稳定性没有好处。BG1有了大增益，开环增益变大过多，而且GB1本身的相频特性也不一定很好，最终对性能没有好处。
在BG1源级串个电阻，我觉得更合理。运放的开环增益一般是够用的，不一定有必要增加过多增益，满足本电路要求的10倍升压放大即可。反馈回路再衰减10倍，整个闲环，增益基本不变，保持运放原有的原定性。

还有一个问题，BG1栅级所接入的阻抗有点高，低压高阻抗一般容易引入高噪声。如果有示波器观察，很容易发现基准输出含有较多中低噪声。

washu

我用教科书上的共射放大器也做过一个电压基准的高压扩展

共射放大器仿真


高压基准扩展的仿真


实际制作，200V 直流电压通过将一个 15V 1W 的小变压器反接，将电源电压（AC 15V）升压为 AC200V up，其实这样反而方便、干扰小；比例电阻使用 10 个 10K 的小红袍，三极管是仙童的高压放大管 MPSA42/92。


以 7651 作为外部基准输入，观察其输出


断开外部基准，使用板上内置的 LT1236-10 基准

longshort

我觉得，BG1提供的增益有可能太大，对整机稳定性没有好处。BG1有了大增益，开环增益变大过多，而且GB1本身的 ...
xjw01 发表于 2011-11-22 09:21

您说得对，但是升压措施采用这种形式比较合适，BG1主要是用来获得电平的移位，共栅连接的高反压管子比较容易获得。稳定性的问题，额外的增益只要采取消振措施就可以解决，不是难点，图中的C11就是用来矫正相频特性的。源极可以串电阻，但是实测没什么作用，而且因为栅极箝位的作用，阻值不可能很大，电压增益仍然存在，这样反而增加复杂性，一个C11可以完全解决问题。另外，如果不用C11，那么靠BG1源极串电阻也不能解决相频特性的问题，因为BG2的输入电容非常大，波德图改变很大。

BG1栅极的输入阻抗也不是问题，C11的负反馈将它压得极低。栅极接到电源中点的180K电阻就是普通的金属膜电阻，实测噪声并不是很大，在输出中的电源纹波电压幅度都要比它大。这是专为插件做的低纹波电源的测试图：


其中X轴为2mS/Div，Y轴上为5mV/Div，下为500mV/Div。上部是24V电源输出纹波，下部是24V电源的输入纹波，幅度为650mVp-p。


对于100Hz纹波，输出曲线的扫描线中心值为0.35mVp-p左右，折合有效值约为58.33µV。0.1Hz~100Hz之间的噪声，在我的示波器上无法观察到，这要使用长余辉或者存储示波器才行。不过因为扫描线的显示很稳定，所以这一频段内的噪声还不至于影响到出现抖动，因此主观认为其幅值小于100Hz纹波。

longshort

我用教科书上的共射放大器也做过一个电压基准的高压扩展  

共射放大器仿真


高压基准扩展的仿真
...
washu 发表于 2011-11-22 10:09

用共射放大器形式来做高压扩展不太合适，应使用共基形式，这样可以压低电流增益到1以下，并充分利用基-集结的高反压能力。场效应管也是同样道理。

longshort

... 实际制作，200V 直流电压通过将一个 15V 1W 的小变压器反接，将电源电压（AC 15V）升压为 AC200V up，其实这样反而方便、干扰小 ...
washu 发表于 2011-11-22 10:09

这个方法我考虑过，因为高压下的工频纹波不容易解决，所以最后权衡的结果还是采用了高压发生器形式。

小平

我觉得可以参考一下DO30校验仪内的电路改装一下。它好象也是使用的一个升压变压器。

Maitreya

好文章。收藏备用。

徐利达

我用教科书上的共射放大器也做过一个电压基准的高压扩展  

共射放大器仿真


高压基准扩展的仿真
...
washu 发表于 2011-11-22 10:09

    这台爱德万让哥口水一地

washu

用共射放大器形式来做高压扩展不太合适，应使用共基形式，这样可以压低电流增益到1以下，并充分利用基-集 ...
longshort 发表于 2011-11-22 10:31

   
我不是很明白共射为何不合适，因为教科书上的说法是共射的电压增益和电流增益都较大，输入阻抗高，输出阻抗低，是比较理想的放大器；共基放大器是输入阻抗低、输出阻抗高的，很不理想的放大器...作为直流放大电路，频率响应不是重要的，所以选择共射好像也挺理所当然

washu

这个方法我考虑过，因为高压下的工频纹波不容易解决，所以最后权衡的结果还是采用了高压发生器形式。
longshort 发表于 2011-11-22 10:37

   
作为基准电压输出的负载很小，所以即使不采用容量很大的电容也容易获得较低纹波的电源吧，再说可以先对电源进行预稳压，纹波也可以进一步抑制

longshort

我不是很明白共射为何不合适，因为教科书上的说法是共射的电压增益和电流增益都较大，输入阻抗 ...
washu 发表于 2011-11-22 14:41

这里不需要电流增益，甚至电压增益也越小越好，因为过大的增益对于相位-频率特性有劣化的作用。共基或者共栅接法主要是用于电平移位，因为输出电压已经远远超出了运放本身的限制。

longshort

作为基准电压输出的负载很小，所以即使不采用容量很大的电容也容易获得较低纹波的电源吧，再说 ...
washu 发表于 2011-11-22 14:44

实际做起来，效果和仿真的想象结果要相差很远，最好是自己用示波器实际的感受一下。