标准电流 Standard Current（分享转载）

天使的魔翼

标准电流 Standard Current

作者：lymex         来源：38hot论坛

       序：这是一个不成熟的话题，在此抛砖引玉，逐渐补充。曾经写了“标准电阻”、“标准电容”（好象还没有“标准电压”？），今天来个“标准电流”。

首先，电流是7个基本计量单位之一（长度米、质量千克、时间秒、电流安、热力学温度开、物质的量摩、发光强度坎），因此，其地位当然比电压、电阻的还要高！电流安培(A)的定义：

--------在真空中，截面积可忽略的两根相距1米的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为2×10-7牛顿，则每根导线中的电流为1安培。

实际上，根据这个定义，可以在特制的电流天平上复线安培。但是，这很难，电流天平我相信我国也不一定有几套，很难保存和复现。电阻的复现可以有实物而且不需要能量维持，电压的复现也可以有实物，比如标准电池也可以说不需要能量维持（几十年没问题），尽管固态基准需要用电但也很方便。

从最高基准、自然基准的状况看，电压有约瑟夫森电压基准，电阻有量子化霍尔电阻，而电流的现在还遥遥无期。

因此，尽管从定义上电流是主单位，从实际使用上电流是导出单位，是按照欧姆定律从电压和电阻派生出来的。

描述:电流天平原理图

描述:电流天平

从实际意义上看，尽管难于真正长期保存一个标准电流，但能够生成短期稳定的电流也是很有用途的，主要是能高精度的对比测试电阻。

1mA电流

其实，我们身边最好的电压和电阻，一般是10V和10k。当你有个比较好的万用表，看看指标，也基本上是10V和10k是最好的。另外，电压基准最好的就是10V，而电阻基准最好、最常用的也是10k。
当你有了10V和10k，把10V加到10k上，理论上电流就是1mA，因此，1mA电流也可以认为是最基本的、最准确的。
实际操作时，需要有个1mA的恒流电源（不一定很准确，只要求短期稳定），把这个电流源通过10k电阻和待测试、待标定的仪器，然后用万用表10V档测试10k电阻的电压，就可以精确的标定这个1mA。当然，如果有10V基准，是把基准和10k进行背靠背，用检零计来测试其差的。



显然，要得到准确的1mA电流，需要：
1、10k标准电阻，业余条件下有可能做到ppm级别的
2、10V标准电压，业余条件下有可能做到ppm级别的
3、一个短时间稳定的1mA电流源，业余条件下有可能做到每10分钟ppm级别的
4、指零仪，需要能分辨1uV的，这样对于10V就是0.1ppm
当然，如果要求不太高，其中的2、4可以用万用表的10V电压档替代。
也许有人回问，我买个好表，用其电流档不就可以了吗？事实上，高位表的电流是很不准确的。比如Agilent 34401A，年指标只有0.05%。因此，尽量不要用。

10mA电流

同样，10mA可以很类似的方法得到。


当然，电流源也必须是对应的10mA，但标准电阻不是减低10倍的1k，而是100欧了。这是因为对于标准电阻来讲，要遵循功率10mW原则，否则将发热引起变化影响稳定。1mA、10k正好是10mW，而10mA就必须是100欧才是10mW，这样电压就是1V了。

那么，100欧如何得到呢？可以用10个1k的哈蒙量具，把10k转到100欧。当然也可以直接弄个100欧的。但100欧是一个很重要的中间基准，可以用1:100的哈蒙量具，与1欧和10k进行精确的传递。另外，用量子化霍尔电阻也是直接对100欧进行标定的，我国和很多国家都这样做，电阻实物用SR102（非常稀有）。

对于1V，自然要从10V分压得到。分压的最精确的方法当然也是哈蒙量具，业余条件下可以用10只一样的电阻（一般是10个1k）对10V分压。

       当然，还需要一个10mA的短期稳定的电流源。

       那么1k电阻没什么用了？的确比较尴尬，你看国家对1k的校准，其能力根本不如100欧或10k。1k的10mW对应3.16mA和3.16V。

100mA电流

100mA电流主要用途是测试1欧电阻，因为1欧标准电阻的标准测试电流就是100mA

       测试时，几个1欧的标准电阻的电流端串联在一起，然后用开关切换电压端，分别对比。
因此，只需要100mA具有短期稳定性，即噪音要低，在几分钟（最多几十分钟）的时间内不漂移即可，而且时间长一些的话慢慢漂移也是允许的。所以，设计100mA时就无需考虑长期稳定性。为了能够整体低噪音，必须各环节都具备低噪音的条件。同样，为了短稳好，必须温度系数低、温升小。
方法仍然是类似的，只不过采样电阻也应为1欧附近，电压是0.1V级别的了。同时，也需要一个100mA的短期稳定的电流源。
基准部分：仍然采用原始的7V基准，并非需要长期稳定性，而是这样的基准噪音小、短期稳定性好。
基准分压：从7V到0.1V，分压成1/70，可以考虑用塑料块，统计的方法（8只串联、8只并）。
运放：考虑采用AD8628自稳零运放，在0.1Hz-1Hz的带宽下具有0.16uVpp的噪音（业界最低），由运放带来的噪音大约为0.3ppm。同时，0.02uV/C的温度系数也可以忽略，比一般的热电动势都要小。
采样电阻：可以选择1欧附近，用Vishay VHP3、Vishay VHP4、AE检流电阻均可，只要测试一下能找到2ppm/C以下的温度系数，耗散10mW时，用较大的热沉，稳定后就能在几分钟的时间内保持0.2ppm的波动。

下图是采用VHP3-1R25的例子。

其它电流的取得

    小电流的发生相对容易，例如100uA、10uA、1uA，主要注重漏电小就行。另外，电流小的时候电压基准不能增大了，因此就需要高阻，也是选择的难点。

    大电流的取得更难一些，因为电压更低。一般来讲，宁可功率大一些提高电压进行平衡，而不是一味注重10mW规律。

看一个美国国半的Bob Pease的经典1A/10A概念设计：

    共地的电流源，左半部分为LM399的基准分压成2V，右半为恒流，用了三复合管，1A时采样电阻2欧（2W），10A时采样电阻为0.2欧（20W）。他在另外的地方对这个恒流有详细描述，基准部分做了细化，用了恒流源来稳定7V管子的电流，而这恒流源恰恰用了这7V做基准：

    7V通过电阻串（没说用啥电阻，在另一个视频里说明是4个10k、0.01%的）分压成2V，其中他特意提到，微调电位器要用中等阻值的，因此必须并联一个10欧电阻才行。另外，1M是启动电阻。

稳流部分有更多的细化：


其中：
    采样电阻改成了2.1欧（用了7只0.03欧的Dale线绕），要加散热片；
    运放采用LF411，这样可以在正电源的共模电压下操作（FET输入的运放的特点），但这个运放的的10uV/C的温漂不太好，也许这样才需要2V的采样电压，拖了整体的后腿；三复合管的选择颇费心思，制作也比较复杂。为了达到ppm级别，必须是的总体放大倍数达到100万以上，实际上末级80、前两级>200，总倍数300万，而且要增加4个电阻；

    运放的驱动，串联了一个0.01+1k的阻容网络，同时运放增加了470pF的积分电容（和串联了2k电阻）防振；
    负载上也增加了个0.6欧+0.68uF的RC dumper（消振器）。
    负载上面的2欧电阻可以短路，用来测试电流源的负载调整率。

下面是实物照片和指标：

Bob后来又初步讲了一个现代的1A电流源：

模式从共地改成共源（负电源的）：
    用LM341（其实就是78M05）给基准和运放提供5V；
    基准用高精度低噪音带隙LM4140-2.096V；
    运放用LMV2011，高精度低温漂。加了两组RC防振；
    输出管子用了IRF511。1mA、10mA、100mA短稳恒流电源

首先看一下一篇有名的文章“Design of a 10mA DC Current Reference Standard”里面的电路。这电路的最大特点，是声称取得了1ppm的10mA恒流源。



    其中，电压基准就是我们已经习惯了的LZ1000，用统计电阻转成10V。然后，用运放、场管和一个特殊制作的10k电阻，把10V转成了1mA。因此，假设我们只需要1mA，这个就是个成熟方法。
    最后，利用镜像原理，再利用统计电阻，把1mA转变成10mA。
    第一个7转10的统计电阻网络我们已经很熟悉，这里终于说明是用TaN（氮化钽）膜电阻。
    10k参考电阻没有详细说明，只知道是Vishay做的、近0温度系数的多芯电阻。要知道，这文章是2002年的，当时Vishay有这样的电阻？
    最后这个1:10的电阻也更没有说明，估计是1k和100欧，电压1V。
    其中1k有可能是5个200欧串、100欧为2个200欧并。或者1k有可能是2个500欧串、100欧为5个500欧并。

    其实，这种方法对于业余实现有难度。作者声称，该电源不仅短稳定好，更重要的是年稳能达到1ppm。依我看这个指标很难达到，因为采用同样技术的10V也才是1.8ppm/年的指标，怎么可能再经过两个环节，突然变小到1ppm了？

由我来重新设计，则：

    -------直接从7V分压成1V（需要一对比例），再用一个100欧电阻就可以出10mA了。这样节省很多，因此性能应该更好。100欧的电阻，当然首选VHP202Z，这个100欧的已经定了一段时间快到货了。看这个电路，一定要比原来的好。基准设计原则之一：简化。



同样，对于1mA，一样的简化方法，也利用1V分压，把电阻换成1k，同时输出。

场管怎么选择？
    只要栅极漏电小（一般都能满足）、可以让运放工作的N沟道增强型管就可以，大电流的可以选功率MOS管。但MOS管输入电容大，容易振荡，可以用FET+BJT复合管。

那么运放如何选呢？
    首先，对于1ppm的恒流源，Ib最大值不要大于恒流电流的1ppm，因为Ib这东西可能变化比较大。在确认变化比较小的场合下，要选择变化量不大于主电流的1ppm的1/4，对于1mA的就是要Ib变化<250pA。
    其次，Vos的变化要小于采样电阻电压的1ppm，假设采样电压是1V的场合，1ppm就要求Vos的变化小于1uV的1/4，而对于0.1V则就是0.025uV了，这对运放是个严峻的考验。常见的高精度运放比如OP177F、AD707B/C/C/K，只能保证每度不超过0.3uV，能找到的最好的也就是0.1uV/C典型值，这就很难了。因此，在此种情况下就要选自稳零运放了，比如采用经典的LTC1052，每度0.01uV。最好的AD8629/8，可以保证<0.02uV/C。
    最后，还有噪音。0.1V的采样电压，运放的噪音要0.1uV以下才能达到1ppm，自稳零运放的低频噪音刚刚够。

运放本身可以输出10mA以上，能否省略场管？
    答案是不能省的。原因之一，运放如果输出大电流，会发热，而一发热就引起性能变坏，比如Vos和Ib的增大，因此，高精度的前级运放应该尽量运行在平稳的、小电流的工作状态下。另外，场管有自然恒流作用，因此在大范围电压输出下，需要调节的范围很小。没有了场管全靠运放主动调节，需要运放大幅度输出，性能变差。最后，运放直接输出电流不要衡量了，与电源电流难于分开。用场管的话其漏电在大部分场合下可以忽略。

    上面看到了1mA、10mA的长期稳定电源。如果只追求短期稳定性，那么可以不考虑老化问题，只考虑温度系数问题。由于短期稳定主要在于各元件的温度系数小、噪音小。当然，如果能同时考虑老化，那么短稳恒流电源就能成为长稳恒流电源，就能够作为真正的电源基准了。

采样电阻的选择？
    对于100mA恒流源，标准的采样电阻是1欧，这样功耗10mW、压降0.1V。如果用1V基准了，则电阻功率将达到100mW，这比较大了，除非采用超低温漂的大体积电阻，否则温升引起的漂移和热电动势将难以承受。我自己由于有个很好的Vishay金属箔全密封1.25欧，因此我要分压成0.125V（7.125V用7个1k和一个125欧），用另一套运放+场管同时输出。当然，由于这个电流比较大，电源用5V就够了，同时上面应该有个开关，不用100mA的时候可以断掉。

另一方面，采样电阻过小也会有很大问题，包括：
    1、热电动势的影响大，0.1V，满度若有0.1uV就是1ppm了，而热电动势会因气流波动，造成低频噪声
    2、对运放的精度要求高，例如Vos老化、Vos的温漂都成问题，
    3、运放的噪声影响就很大了，因为运放噪声都是折算到输入的，正好与采样电压叠加。0.1V的采样电压如果有0.1uV的噪声也就是1ppm了，这样的运放也难找。

    所以，在对噪声和稳定度有较高的场合下，采样电阻要适当加大，以牺牲温漂的方式来取得平衡。20A以上，甚至10A以上，就可以称为大电流了，普通的万用表测试不了。普通的分流器可以有很大电流的，以下几个算比较小的了，精度等级都是0.5级的。

    但这里讲的大电流，并非只是大，而且要稳定、准确，0.5级也就是0.5%，远远不够的，一般要达到0.005%，也就是50ppm，才能叫标准电流。因此无论是大电流的产生，还是大电流的测试，都需要特殊的方法。


恒流源的应用

    1、标定。例如上述10mA标准恒流源，就是提标定准服务的。可以反向背靠背对比，也可以通过倍率把10mA标准电流转换到其它档位上。
    2、温度传感器的测试、检测、标定。比如对RTD的检测，需要精确、恒稳的mA级电流，通过检测电压得到电阻值。这个恒流源甚至要求比高位表电阻档的还要高。
    3、测试电阻，例如1欧，需要100mA的恒流源，这样其功率才不会超过10mW。
    4、校准，送给万用表，看表的电流档偏差多少。这个有点大材小用，而由于表的范围宽，恒流源也不能直接提供。

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DIY 精密测量用1mA、10mA、100mA恒流源


    前言

    顾名思义，恒流源就是恒定电流输出的电流源，也就是无论负载如何变化，或者其它因素如何变化，输出电流都保持恒定的意思。

    当然，这是个理想情况，实际上恒流源也都有自己的最大输出电压，外接因素变化都需要有个范围，而实际与理想的差异，往往就决定了恒流源的指标：

    1、恒定电流范围：固定的还是可调的，最大输出电流是多少。

    2、输出电压范围：比如是否从0电压输出就可以恒流，最大输出电压。

    3、输出动态阻抗：即输出电压改变后，电流变化多少。

    4、温度系数：温度每度改变，恒流电流变化%多少或者多少个ppm。

    5、噪声：本底噪声、相对噪声都是多大的。

    6、长期稳定性：也就是恒流电流随时间的变化特性，基准恒流源或计量用的对这点要求较高。

    7、设置的准确性。

    恒流源的用途，可以是信号级别的，提供恒定电流的激励，也可以是电源级别的，在负载变化时提供恒定电流。

    从恒流源的原理上看，电流很难自己独立产生，的确有一些器件是电流型的例如恒流二极管，但特性很差。

    因此，好一些的电流都是要根据电压和电阻来产生，公式就是I=V/R，而电压和电阻都有很精密的元器件。

    这样，从理论上说，一个精密的电压和一个精密的电阻，就能确定一个精密的电流；同时，这个电流的各项指标，例如温漂、噪声等，直接取决于这个电压和电阻，计算方法就是直角三角形的斜边与两个直角边的关系，当然还要加上运放的特性（如果有的话）。对于变化的恒流源，很可能是用电阻在大范围内变化（换档），而用电压的变化来小范围调整。对于固定的恒流源，这个电阻可能不是一个，需要匹配。这样，无论一个恒流源的电路多么复杂，总会至少有一个基准电压，至少有一个电阻，决定了这个恒流源的大小。电压可以写成Vref，电阻可以写成Rs，这里的s就是sample的意思，Rs就是采样电阻，因此可以有：       Is = Vref / Rs

恒流源的具体实现方法，有好多电路，例如：

    1、二端恒流器件。例如恒流二极管，加上电压后，只要超过一定值，电压基本恒定，这样就可以简单的用电源/电池实现恒流。二端恒流器件有简单的参数型（例如白炽灯泡曾经被作为恒流），而现代更多是采用场效应管、有源器件来做。

2、浮动电压基准型。用一个运放加一个稳压管，可以方便的实现恒流。而若采用类似LM385-1.2这样的特性不错的稳压管，就非常方便。尽管这个电路基准悬浮，但负载是接地的。

3、浮动负载压控型。压控恒流有时很好用，方便调节，控制电压可以由DAC来产生。用一个运放加一个采样电阻就可以实现，但负载是浮动的，所以应用面会受到限制。

4、采用运放+三极管（或JFET、MOS）的压控恒流源。这是经典的电路，简单而高性能，但输出是共源不共地的。用MOS管的话输入电容大容易振荡，用BJT的话Ib大影响精度，而JFET+BJT复合管则很好的解决了这个矛盾。R2=10k选择不同的，可以改变运放稳态输出电压。R1就是电流采样电阻，输出电流 = Vin / R1。

    有时为了让输出共地，要牺牲压控特性，把基准接到电源上去（实际从电源向下也是可以压控的，但难做），比较适合固定电流源：

5、只用运放的压控恒流源。这种电路比较复杂，但比较好用，因为控制电压和输出电流都是共地的。单运放的，主要是这种改型Howlland电路，原理上看是借鉴了差分放大器的，需要两对匹配电阻：

    其中要求，R2/R1 = (R4+Rs) /R3，恒流电流为UI / Rs。

    这个电路恒流原理证明如下：Ua=2Uc=2.00Ud

    R3电流=(Ud-1)/100k=R4电流

    Ub=Ud+99k*(Ud-1)/100k=1.99Ud-0.99

    Ua-Ub=0.01Ud+0.99

    因此Rs电流=0.01Ud/1k+0.99/1k

    因此RL电流=Rs电流-R4电流：

    =0.01Ud/1k+0.99/1k  - (Ud-1)/100k

    =100/100k=1mA

    这个1mA电流与负载电阻RL无关。

    但经常被使用的是双运放的改进型，特点是可以方便的、大范围的换档改变电流：

影响恒流源精度的因素

    1、 Vref的长期稳定性、温漂、噪声等指标，直接影响恒流源。例如Vref的噪声是1ppm，那么恒流源的噪声也至少是1ppm。

    2、Rs的长期稳定性、温漂，直接影响恒流源。例如Rs的温漂是1ppm/K，那么恒流源的温漂也至少是1ppm/K。这里没有谈到电阻的噪声，因为在大多数场合，电阻的噪声都非常小，可以忽略。

    3、如果原始Vref比较大，必须分压后才与Rs对比，那么分压电阻的长期稳定性、温漂，也会直接影响恒流源。分压后的公式是：

                                 Vs=Vref×R2/(R1+R2)

     其中Vs=Is×Rs，Is就是恒流源的电流。

    4、运放的Vos，即失调电压，包括Vos的长期稳定性和温漂，是直接叠加到Vs上去的。例如在Is=10mA、Rs =100欧的场合下，Vs=1V，那么Vos只要变动1uV，就对输出有1ppm的影响。

    5、运放的噪声，也是是直接叠加到Vs上去的，计算方法同上。

   

    6、热电动势，也是是直接叠加到Vs上去的，计算方法同上。至于是哪里的热电动势对恒流有影响，那就是Rs、Vs、Vos这个封闭全之内的任何地点，比如下述几个恒流源的红线部分：

    也就是说，热电动势的产生涉及了三个元件：Rs、Vs和Vos。Rs如果发热大，则管脚和内部的热电动势就会变得大起来，而运放和基准同样会产生热电动势的，尤其是在有发热、管脚为可伐合金的场合。在布线上，也要注意发热路径和对称性，并尽量采取均热、防风措施。

1mA恒流源的作用和要求

    1mA恒流源，主要用在10k电阻的对比测试中。用高位表测试可能有两个缺陷，一个是10k测试大多用0.1mA，压降只有1V，这样热电动势和噪声就比较大；另一个是测试对比是与机内的电阻基准进行，这个基准一般比较差。而DIY 1mA恒流源，就可以解决这两个问题。1mA在10k上为10mW，正好符合计量测试功率标准。

    1mA恒流源另外一个用途是Pt100精密测温。Pt100的标准电流就是1mA，而温度是与阻值有精确的对应关系的。测试阻值最常见、的方法就是用恒流源流过被测电阻来检测电压的，而为了精确测试阻值，1mA电流必须精确。常温下每度的温度变化相当于3850ppm，因此要精确到0.01度，就必须让恒流源误差小于38.5ppm了。

1mA恒流源的要求：

    1、短稳好，即噪声低，一般不大于1ppm；

    2、温漂有一定要求。由于是对比使用，要求不会很高，单宁也不宜大于2ppm/K；

    3、年稳也有一定要求，短期用的可以不大于20ppm/a，做电流基准的要5ppm/a之内；

    4、输出电压最高10.2V，这样才能满足10k电阻的要求；

    5、可以接电感负载、电容负载。

1mA恒流源的基本电路

    由于电流固定，性能要求高，同时最好简单，因此采用了前言中的电路4的改进型，也是很常见的、成熟的电路：

    I1是1mA恒流二极管，尽管性能不是很好，但LT1021-7基准对这个很不挑剔。

    运放要选择高精度的，使得Vos对基准的变化贡献小，而Ib也要选低的，1mA的1ppm就是1nA，所以选100pA内的比较保险。

    Q1必须是P沟道的，由于功率小，用JFET即可。

    C1和R3是消除可能感性负载振荡的，具体参数要视情况而定。

1mA恒流源的制作

    先按照上面的电路搭焊一个，其中I1用1mA恒流管，7k电阻微调串联了个6欧电阻（照片为并联），MOS管用了P沟道的JFET。

1mA恒流源的的测试

    首先简单测试，电源18V，总电流大约2.6mA。让输出的1mA流过SRX 10k标准电阻的电流引线，用34401A测试电压引线的开路电压（输入阻抗设置在>10G），测试了24小时，一直很稳定，变化几个ppm包含了表的。

    精确的测试，要让1mA流过SR104-10k得到10V，再用2×2开关+3458A对比4910-10V，A测试上电过程、短稳和日稳。

10mA恒流源的作用和要求

    10mA主要用来测试100欧电阻，每个电阻压降1V，功率10mW，可以多个串联，切换对比。由于10mA不大不小，采样电压1V也很适中，因此适合制作标准电流，那样对长稳要求就更高了。

10mA恒流源的基本电路

    基本参考1mA的电路，但基准若直接使用，耗散达到7V*10mA=70mW，比较大了。除非采用较大功率的700欧电阻以利于散热，否则就要把基准分压了。
分压可以考虑：
    2：1得到3.5V，采样电阻阻值350欧、功率35mW
    5：1分压得到1.4V，采样电阻组织140欧、功率14mW
    7：1分压得到1.0V，采样电阻组织100欧、功率10mW
    这最后一个所用电阻阻值好，但7：1分压也同样重要，这个分压系数不太好找。一种办法是统计分压，即采用7个2k电阻串联。

    电源电压的选择，最低10V即可，只要能提供给7V的基准可靠供电。至于输出电压，有5.5V就可以让5个100欧串联使用（每个1V），而剩余的4.5V可以让MOS管吃掉1V，另外3.5V就是分压后的基准最大值。

10mA恒流电路，比较容易出结果，值得折腾几个不同侧面要求的：
    1、快速预热版。快速预热，主要用在移动电流源或电池供电的恒流源上。
    快速预热甚至无需预热，很快就可以工作，后续电流变化很小。要达到这个目的，关键元件必须低耗电，比如采样电阻100欧/10mW，基准和运放用低耗电的，电源电压要低。

2、低噪声版。低噪声版，主要用在对比测试，而不是绝对测试上。
    要噪声低，必须基准是低噪声的，比如MAX6350。最好的基准是LT1000或者263/LTFLU；最好不分压，直接用5V或7V。尽管采样电阻功耗大一些（50mW和70mW），但给运放的压力小；最后，运放要选低噪声的。

3、低温漂、高稳定版。也就是高精度版，主要用做电流基准。

    要想高精度，首先要有低噪声做保证。基准必须低温漂、高稳定，首选LT1000或者263/LTFLU；分压电阻也必须低温漂、高稳定，需要金封金属箔；采样电阻最关键，也需要用金封金属箔。

    如果不怕采样电阻功率大，可以不分压，直接用原始的5V或7V基准，采样电阻做好散热。

10mA恒流源的制作与测试

    低压方案：电源电压3.3V-4.2V，基准2.5V，无分压，采样电阻250欧，功耗25mW。
    高压方案1：电源电压9.9V-12.9V，基准7V，2:1分压，采样电阻350欧，功耗35mW。
    高压方案2：电源电压9.9V-12.9V，基准7V，无分压，采样电阻700欧，功耗70mW。

100mA恒流源的作用与要求

    100mA主要用来测试对比1欧电阻，每个电阻压降0.1V，功率10mW，可以多个串联，切换对比。
    1欧是电阻的单位，而1欧实物电也是最稳定、最好的。但是，1欧很小，难于用万用表进行精确测试，而采用DCC或专用电阻桥的方式也超出了一般业余爱好这的能力。
    而采用外部100mA恒流源的方式，可以超过大多数万用表的10mA的测试电流，用0.1V档或者0.2V档多次测试对比电压，有望把1欧电阻对比到1ppm之内。类似，对100mA恒流源的要求是：
    1、短稳好，即噪声低，不大于5ppm；
    2、温漂不大于5ppm/K；
    3、年稳不做要求；
    4、输出电压最高1.2V，这样可以串联最多10个1欧电阻进行测试；
    5、可以接电感负载、电容负载。

100mA恒流源的基本电路


    左边是电源，充电插座通过防反二极管给三节串联锂电充电，运行时电池供电。
    开关J1平时断开，测试时闭合给整个电路供电，R5给LED指示发光电流。
    I1是恒流二极管，给7V基准提供恒定电流，通过R2和R3分压后作为采样对比基准，由精密运放跟踪采样电阻上的电压，驱动MOS管，使得与基准保持一致。
    二极管D2是让运放的共模电压降低下来，否则需要轨轨运放。
    绿色三根线靠在一起，是一根双屏蔽线，红色虚框为一个放在电流源外部的引线加粗部分（发热），这两根线形成电流输出的接口。
    调整管采用PMOS功率管（PMOS增强型），耗散要有1W附近。
    运放除了采用LT1012外还有别的选择，参见下面详细描述。
    C和R4，是一个缓冲器，用来防止接入感性负载而振荡（有些1欧电阻是有感绕制）。C1要选择漏电小、介质吸收小的薄膜电容，具体容值要试验确定，R4也一样。
    要注意一点，采样电阻一定要用4线的接法。电路图上靠右边的两条线是电流线，左边的两条是电压线。

输出电流公式:

输出电流 = R1电流 ± Ib ± Ig ± Irc

    其中Ib为运放的偏置电流，Ig为MOS管漏电流，Irc为1uF电容漏电流。由于输出电流有100mA，因此只要这三个电流均不大于10nA，就可以排除其影响。

R1电流=R1电压/R1

    R1就是采样电阻，其变动直接影响输出。R1可以选择2欧到10欧之间。R1太小则压降小，Vos的影响就大（见下），运放的噪音影响也大。R1如果太大，则功耗增大，温漂大、预热时间长、引起的热电动势变大、对流加大引起短稳变差。因此，选择R1的时候，除了温漂要小以外，体积要大并加上适当的散热片，以便减少内外温差。如图7R耗散70mW，不加散热片的场合内部温升有3度，因此若温漂为1ppm/K，对开机变化的贡献也会有3ppm了。

R1电压=R2与R3分压电压 ± Vos

    Vos就是运放的失调电压，由于分压电压至少200mV，因此Vos的变动要不大于0.2uV就可以让影响<1ppm，因此选择了0.2uV/K和0.3uV/Mo的LT1012。另外，运放的噪音也直接叠加到这个电压上，LT1012的为0.5uVpp，不算非常小。
    如果供电电压7V以上，则可以选择如下运放：
    1、0.3uVpp的LT1001、LT1010或者AD707，耗电从0.4mA增大到1.6mA。
    2、噪声更低的运放也有，尽管Ib偏大，但用在100mA的这个电路里问题不大，例如
    3、还有OPA227，噪声0.09uVpp，10nA的最大Ib也就影响0.1ppm，但耗电3.7mA，Vcm和输出也大。
    4、另外有0.22uVpp噪声的OPA277，耗电0.8mA不算大。

R2与R3的分压 = U2电压 × R3 / （R2 + R3）

    可以看出，U2的电压直接影响输出，而R2和R3的影响也一样是直接的。为了保证短稳，R2和R2要用优质塑封金属箔。

    U2的电压:由于电流源的输出要共地，因此此处要采用负压方式，而最常见的负压产生就是利用shunt模式（2端使用）。为了保证噪声等指标，必须用Zener而不能用带隙，Zener都是7V的为多，所以供电电压就降不下来。

    100mA恒流源的另外一个电路，是低压供电的，采用带隙做基准，即1.25V基准，6：1分压后成为0.2V，采样电阻用2欧（耗散20mW）。运放仍然用LT1012（可以2.5V下使用，很难找到类似的运放了）。驱动采用JFET+BJT复合管，这样算下来，如果输出1.1V的话（适合10个1欧同时测试），最低可以用3.0V电压供电，好处是发热小，可以用1节锂电。其中D2是给运放提供适当的共模电压，否则因为R1的压降小，必须用轨输入的运放了。

100mA低压恒流源的制作与测试

    同样，先搭接了一个简易的，用了下述低压方案：


    采样电阻用了2.5欧的VHP-4，这样功耗为25mW。
    与前一帖的电路比，省略了一些不必要的部分，只是分压电阻因为要调整到比较精确的100mA，用了4只。


    装好后，并没有一次成功，原因是JFET管的Vp较大，造成运放不能输出到应有的高电位，而是在低电位上被钳住，电流过流。在PNP管子的be结上并联了一个500欧的电阻后，使得JFET工作电流加大，就好用了。实测一下各工作电压值，基本上就是上述电路仿真时的值，误差不超过0.1V。把电源电压加大到5V，输出几乎看不出变化。

    100mA不宜用高位表的电流档测试，因为所有表的电流档指标都不高，里面不可能装进去高精度、大体积的电流采样电阻。
所以，测试采用外部采样（I-V）转换的方式。
采样电阻用了一只有出生证、10欧的国产BZ3，标定阻值9.99999欧：







    测试结果不是很理想，主要是没有装壳，受空气波动影响较大。其中LM385-1.2的基准温漂很大，手一摸就能跑上百个ppm，毕竟这基准的温漂指标典型值是50ppm/K的（最大可能达到150ppm/K）。可以看到，末位有几个字（几ppm）的变化，3V下耗电100.8mA，其中0.8就是电路总体耗电，另100mA是有用的输出。如果这个恒流源装壳，要给定级的话，0.01级肯定是没戏，但大概可以达到0.05级。

这个试验性恒流源的特点：
    简单、低压供电、性能一般、输出电压不大。
    低压恒流源的改进，主要从改进基准入手。


    经过测试，上述低压方案效果不太好。为了能在1节锂电的前提下做成尽量高精度的，重新设计电路如下：



    1、基准选择2.5V的AD780B-2.5V。尽管仍然是带隙的，但为高精度带隙的，温漂<3ppm/K，噪声也只有3uVpp，即1.2ppm-pp，也就是大约0.24ppm rms。这是能找到的最好的低压基准了。其余类似的例如LT1019A-2.5、AD680、ADR431，都不如这个。此基准还可以用二端模式，也是其它基准所不具备的，因此可以工作在3V下。另外，此基准还可以输出代表温度的电压信号，可以用做温漂补偿。

    2、二端模式工作需要一个低压恒流源。这个是关键，没有什么简单的办法，只能采用IC内部常用的镜像恒流源电路，做1:5放大，得到1.5mA，电压可以低达0.2V，因此在低达3.0V的电源下运行也没有问题。

    3、运放仍然选择LT1012，其它很难替代。还有一个LT1677，噪声低，但耗电大一些。

    4、采样电阻用了6欧（实际是8欧与25欧并联），这样压降为0.6V，大了一些，功耗为60mW，但由于VHP-4温漂小，两个电阻分担，也问题不大。这样做的好处就是0.6V直接就是LT1012的最小共模输入电压，只需要R4象征性的继续提升0.05V即可（实际R4=0R47）。

    5、基准分压电阻也要相应变化，实际上选了三只Vishay塑封金属箔（2.5k、7.5k、50k）。另外，R7=1k是调整电阻，权重只有不到1/20000，因此可以采用常规的可调电阻。

这次采用了万能板，装好后的样子（电池是两节18650并联）：



两个外置管也封了起来


装壳后的样子（当时只装了一节电池），外部包括开关、LED指示、2根输出线



用BZ3-10欧做电压采样、HP34401A做电压测试，初步测试结果，短稳比较满意。

用3458A测试，发现情况不是很好，归一化显示后（每格1ppm），恒流源在缓慢变化：


为了弄清原因所在，用扫描器多探针放到内部测试：



显然，基准没有问题，但分压后的电压与采样电压变化很大，这个插值就是Vos，变化这么大无非就是运放的问题了。一个是共模电压不够，再一个是运放本身不好。把VHP4-8R改成10R，R4=1R改成1.5R，同时换了运放，结果：


最后的电路图：

100mA高性能恒流源的制作与测试

    上述低压100mA恒流源，由于采用1节锂电低压供电，在基准和运放的选择上都受到限制，造成性能不是很理想。为了提高性能，必须采用更高的电压，使得基准可以用Zener，电压高也可以更对电压的变化不敏感。实际制作时，可能要有所侧重，因此可以采取下述三个方式之一：

    1、低噪声型。前面低压恒流，LT1012噪声是0.5uVpp也就是0.1uVrms=0.1ppm，而AD780的噪声是3uVpp也就是0.5uVrms也就是0.2ppm，合成后就是0.22ppm了，再加上3458A的噪声，得到0.26ppm已经是不错了。

    要想进一步减少噪声，首先基准要选好的，比如MAX6350与AD780同为3uVpp噪声，但电压为2倍因此实际为为0.1ppm。如果用LT1000，7V下为1.2uVpp即0.22uVrms也就是0.03ppm；假设采样电阻上的电压为1V，其0.03ppm为0.03uVrms=0.15uVpp，因此运放一定要选择峰峰不大于0.15uVpp的，这样才能让运放的噪声小于基准的。

    如果分压<1V则对运放的要求更高。这样的运放可以选LT1007、AD8675、OPA227、OP27等。另外要注意，运放的Ib也不能太大了，否则因为Ib变化多端（随温度、随电源电压、随共模电压），会在分压电阻上产生变化的压降。


2、低温漂型。基准用LM399，分压电阻严格匹配，采样电阻精心挑选。

3、高稳定型。基准用LT1000，分压用金封金属箔，采样电阻用VHP4。


100mA恒流源的应用




    如图，四个1欧标准电阻串联接到100mA恒流源上，其中一个是基准，另三个是被对比者（可以有多个）。通过扫描开关分别轮流让高位表读取三个标称0.1V的电压，就可以得到对比结果。如果把被比较电阻放到冷热箱或恒温槽中，就可以测试温度系数。如果时隔1年再来对比，就可以得到长期稳定性。测试中，只要求100mA的短稳好，即在轮流一圈4次的测试中变化很小即可，至于这个100mA恒流源是否准确、温漂如何、长稳么怎样，都没有要求。得到测试数据后，每4个一组以第一个为基准，全部除上一个常数即可。

下图为测试结果：


   其中，标准差分别是0.35ppm、0.36ppm和0.34ppm，这样，取100个数做平均值，对比的不确定度就能达到0.04ppm之内（σ=1）。如果对1000个测试值平均，在σ=3下，对比的不确定度仍然是0.04ppm之内。

房有亮

啥玩意啊

天使的魔翼

做个分流器


先看DIY成品







再看大佬们不花钱的做法：

前一段时间看vvipi买了个Agilent的分流器，30A的，每安培1mV（即内阻1mΩ），感觉不错，尽管精度0.3%不高，但对于台表等没有大电流的场合，插上就能交直流两用，很方便。



经查，Fluke也有类似一款，只不过是10A的，内阻10mR，是安捷伦的10倍。



前几天在dz98团购肖特基二极管，顺便买了些这个，今天到货（连接：http://www.dz98.com/bkb.htm）：


根据介绍是仪器内部用的拆机电阻丝/分流器，2mm直径比较粗，是30mΩ的，展开长度38cm。这东西今天到货。

可巧，今天Aeon给了我一个双插头的连接，说可以用在Advantest R6871E-DC表上。我一看，这外形与上面两款分流器非常类似的结构，为什么不能自己做一个？

说干就干。弄把十字改锥，穿进去把线拉直。



这是快要拉完的情形



拉直后测量总长度为47.5cm，而电阻为47.5mΩ。正好是每1mΩ/cm。
根据计算，截取了7.5cm一段
  


这是试验性双插头，打算做双线并联，至少能承受20A
  


弯曲、插入，调整到间距正好



然后弯曲成环状，准备焊接

焊接。一定要焊好，烙铁功率要稍微大一些，时间要长一些，让插座的柱子高于焊锡熔点，焊锡才能进去。两面都要焊。

接头处焊接
   


焊接完后就可以测试了。用精密电源通上1A电流，哇，还真不错，电阻大了10%。
也就是说，1A下读1mV正好。
  

下面就是调整了。一般来讲，最好是做的稍微大一些，向小的方向调整，这样整体不受影响。我很不喜欢国内做的那样，先做成比标称值小，然后通过锉刀锉的方法调整，这样会损伤电阻，更主要的是，在分流器的大电流场合，会形成局部热点（Hot spot）。

调整的方法很简单，用扁嘴钳子把接缝处剪开，并剪掉一小段就可以了。但千万别剪多，不行重复剪。

我是采用并联了另一根细电阻丝的方法，通过调整并联程度，精确的调整到标称值。

  

最后，找一段热缩管，封好完活。





重复测试，正好。这东西由于大电流，精度并不会很高，能达到Agilent的0.3%也就不错了，因此也不需要精确调整。
   


计算可知，内阻1mΩ，10A下功率0.1W，很小。
30A下，每根电阻丝承受15A，总功率不到1W，也没有任何问题。

当然，这个是测试大电流的。如果想解决某些万用表没有电流档的问题，也可以类似方法做一个1欧的电阻，这样读多少mV，就是多少mA。

赠品套件，适合没有大电流档的台表（已赠完）


补充：受lilith启发，又做了另外一个1mR的
塑料 防水接线盒，2元/个，接线柱4元/个，香蕉插头2元/只，1mR检流电阻德国PBV（淘宝购买查：1mR 检流电阻）。



加了散热片，一方面可以提高大电流的测试时间，另外也可以降低温升从而减少温漂。

焊接细节，电流线尽量短，焊接速度要快以免对塑料件有影响。事前接线柱拆下、端面上锡。




所用的接线柱，与国产老柱子（下）对比：


完成品外观。30A可以连续使用（0.9W），50A可以使用1分钟（2.5W）




如果有条件对分流电阻挑选，可以选阻值稍微偏大的，这样可以通过并联电阻的方法调节到0.05%之内。
另外，加温看读数漂移，最好找温度系数低、峰值温度在40度、50度之间的。