Некоторое время назад я решил попробовать силы в дизайне стабильных источников напряжения, тока.
Отчасти интерес связан с практическими проблемами калибровки прецизионных мультиметров, на примере Keithley 2001,2002.
Однако в первую очередь - попробовать зубы на чем-то новом.

И отправной точкой стал ИОН на базе заслуженного Linear LTZ1000.

Задизайнил схему из даташита, нарисовал платку , заказал, и вот сегодня приехали платки.
К сожалению нужных резисторов с малым ТКС у меня нет, поэтому пока сколхозил первый модуль с "обычными" RN55C 25-100ppm, ибо уже не терпится получить желанные 7 вольт.

Всеравно для начала купил только один LTZ1000A, так что покажу что получилось.

Помимо первой платы собрал четыре других, но нужно добыть резисторы и тогда докупить ИОНов.

.

Плата 4-слойная FR4, с золочением и красной паяльной маской

Идея при трассировке и конструктиве: ИОН будет находится в собственном экране с парой термодатчиков MAXIM MAX6610 (один приклеен к крыше LTZ, второй на обратной стороне платы).
Три идентичных платы будут впаяны в плату-"носитель", на которой уже будут схема преобразования напряжения (умножение на 2, 0.5, может на промежуточные значения, и негативное наапряжение). На носителе также будет малошумяший линейный источник питания +15В и схема мониторинга температур. Три ИОНа позволят реализовать подобие
статистической схемы, по которой можно будет отследить аномальный ИОН, если к примеру смещение выхода не совпадет с смещением и температурой двух других.
Каждый модуль с ИОН будет оснащен собственным термальным экраном и вся конструкция в сборе будет в общем экранированном отсеке.

Далее выбранный выход будет использоватся в схемах АЦП/ЦАП, для генерации либо измерения произвольного напряжения/тока/сопротивления.

Итак, что у нас есть?

Все фотки как обычно кликабельны на много мегапикселей..



Шелком отмечены области без меди на внутренних слоях, так что при желании их можно вырезать.



Левая часть (если смотреть сверху) содержит схему управления нагревателем LTZ1000 и выходами термодатчиков.
Справа усилитель обвязки LTZ1000 и вход питания.



SMD конденсаторы - танталы и пленочные чип-конденсаторы. Решил избежать возможности пъезоэффекта керамических конденсаторов,
поэтому выбрал пленку на пробу. Для теста в дальнейшем соберу один модуль с обычными X7R конденсаторами, т.к. пленка дорогая.



Также возле усилителя есть термодатчик МAX6610 (U3).



Решил построить 3 платы с усилителями LTC2057, одну с парой LT1012 и одну 2xLT1097.
Попробую все три и будет понятно, если ли разница с различными усилителями в данном применении.

LT1012 версия (одиночный вариант широко используемого LT1013)



LT1097 версия



И чоппер LTC2057 (это основной вариант пока, таких модулей будет еще два, с LTC2057, итого получится два с LTZ1000A и один LTZ1000)



Теперь плохие новости:

Ошибка на плате заключается в том что питание ОУ U5 наоборот!.
На схеме компонент был зеркально отражен по вертикале, меня отвлекли, и в итоге забыл поменять местами связи к питанию .
Примитивная ошибка новичков, итог = один сожженый LTC2057.

Так что пришлось порезать дорогу к выводу 4 на плате, изолировать вывод 7 от платы, и впаять две перемычки к конденсатору на питании.



После чего плата заработала, на выходе появились магические 7.ххх вольт



Теперь строим страшный короб.



Для контроля температуры применим имеющийся под рукой платиновый RTD (1000 ом, Honeywell HEL-705), чтобы
понять изначальный температурный диапазон работы ИОНа.
В дальнейшем как насобираю логов в различных режимах, заменю RTD на MAX6610 и построю соответсвие.



И короб закрываем. Стороны короба заземлены на силовую землю. Сигнальная земля усилителя U5 и LTZ1000 объединена в одной точке, у резистора R9 (0 ом скраю справа).



Также нафоткал немного кадров термографом Fluke Ti32, но забыл их переписать, поэтому выложу позже.

Завернул модуль в бутерброд из теплоизоляции (K-flex, часто используется кондиционерщиками),
и оставил на ночь, запитанным от 15V из Keithley 2400, а выход записывается с помощью моего калиброванного Keithley 2001, который пока еще в 90-дневном промежутке.

P.S.

Спойлер

BOM модуля (цены в USD из Digikey, кроме резисторов)

Общий концепт проекта



3D-моделька

Широкую картинку спрятал под кат чтобы форум не разъезжался.

Красота-то какая, просто загляденье! Очень изящная и технически продуманная разводка платы.
В моей "деревне" такой ИОН обошёлся бы в годовой семейный бюджет, не меньше
Теперь жду не дождусь результатов сравнения ОУ: будет ли выигрыш от применения чоппера LTC2057?

Возьму на себя смелость дать ссылку на англоязычную ветку, созданную xDevs:
http://www.eevblog.com/forum/projects/project-kx-diy-calibrator-reference-sourcemeter/
Альтернативная ветка про LTZ1000 на том же форуме просто утонула от флуда на 50 страниц, посвящённого теоретическим фантазиям местных завсегдатаев и измышлениям на тему "машинное масло какой чистоты заливать в ИОН"

Для этого придется разработать методику измерения и анализа шума, а также собрать пробник.
Имеющимися х10 щупами и высокочастотным осциллографом этого не намеряешь...
К тому же нужно добыть резисторы с малым ТКС, чтобы каждый чих не влиял на плату.



Питание ИОН: +15.00V 55mA Keithley 2400 (калиброван в конце января 2014)
Измерение выходы ИОН: Keithley 2001 (калиброван в феврале 2014)
Питание датчиков MAX6610: +5.00V 100mA max Agilent E3649A
Измерение температур и сбор данных: Agilent 34970A c мультиплексором 34901A.

Тем временем подключил ИОН к измерителям, и оставил на выходные.
Посмотрим что выйдет. Все хозяйство в толстом-толстом слое поролона обернутом пленкой для замедления воздухообмена





Старт, температуры и напряжение печки.

Обещанные термофотки:

Сверху на корпус стабилитрона положил кусок матовой черной термопрокладки, чтобы можно было захватить температуру.
Как известно, термографы не могут измерять отражающие поверхности напрямую, поэтому нужен такой себе "интерфейс".



Около градуса разницы, неплохо, учитывая что никакой защиты от воздушных потоков/термоизоляции во время фото нет.
В закрытом изолированном корпусе должно быть значительно лучше.



Ключ и управление нагревателем. Возможно слегка доработаю в следующей версии, чтобы снизить влияние температуры этой области.



Также видно, что нужно обеспечить куда более тесную тепловую связь между MAX6610 и корпусом ОУ.
Сейчас термодатчик меряет плату, а не ОУ.



Спустя 5 минут...



Видно, что светодиод (белый 1206) и токоограничительный резистор (2.2кОм 1206) создают горячее пятно. В следующей ревизии платы светодиоды долой

И бонусом - макрофото среза платы.

Близко:



Общий вид на шлиф:

А я вот не понял, почему оно греется до 60 градусов почти?

ИОН на базе LTZ1000, а также младший брат LM399 и некоторые другие менее популярные имеют нагреватель внутри, для термостатирования стабилитрона.
Благодаря термостату значительно снижается зависимость выходного напряжения ИОНа от колебания температуры окружающей среды.

Более детально можно ознакомиться в даташите на Linear.

А, т.е. температура стабилизируется заранее высокая? Понял -- интересное решение.

Ну охладить сам себя ниже температуры воздуха вокруг он не сможет, это да

Очевидное решение. Практически все термостабилизаторы только греют, т.к. это намного проще

И греют выше самой высокой расчётной температуры воздуха среды+запас на перегрев внутри блока. Опорные кварцы для обычных условий 65..68С, для Средней Азии и тропиков +75С точка поддержания.

Ну, просто не доводилось мне с высокоточными штуками дело иметь.

Тем временем, график температур за субботу и воскресенье..



И приехали АЦП и ЦАПы

Тем временем, пока фабрика печет супердорогие волшебные Vishay резисторы, я наибеил кастомных резисторов от Fluke, ну и Vishay VPR5 для токового блока моего проекта.

Некоторое время назад добыл также токовые трансформаторы, да не какие-то обычные, а волшебные LEM Ultrastab 600S. Что в них волшебного? Ну я пока незнаю других датчиков тока, с заявленной нелинейностью 1ppm и температурным коэффициентом 0.2ppm/K, причем совместно с диапазоном тока до 600А
Но как и в большинстве ТТ, основная погрешность и ошибки будет вносить резистор на вторичной стороне и схемы нормализации/преобразования.
Цена "хорошая" была на эти ультрастабы, так что не смог пройти мимо, купил парочку от жадности.

Ладно, довольно писанины, будем смотреть на картиночки..



Что это? А это такие резисторы. Похожи на дросселя, так что от индуктивности не спрячешься.





250Kohm, 2W 0.05% 5ppm/°C



Мелкая козявка в центре - это стандартный SMD чип-резистор 1206 390 ом.















Меряем резистор 50K:



4-проводные шунты-резисторы Vishay PG VPR5 1.0000R's









Ну разве не красота? Обнять и плакать.





Быстрая проверка, генерируем 10мА с помощью Keithley 2400, меряем вольтметром Keithley 2002.



Также купил "немного" намоточного константана, для подстройки, да и вообще пригодится..Год выпуска 1988.



Сечение 0.07мм, сопротивление если верить наклейке - 127 ом на метр.



Вот и весь хабар сегодня:



Итоговый перечень с количеством: http://dev.xdevs.com/issues/1068

Завтра встречаюсь с представителем Vishay precision group, хотят обсудить мой проект (наверно хотят заказ на 10000 шт/год и обещали какое-то demo.

Для чего задумывались площадки в виде кольцевых сегментов вокруг LTZ1000? Длинные дорожки - это понятно, увеличение теплового сопротивления. Фрезеровка вокруг LTZ1000 - тоже было бы понятно. Полигоны с множеством vias под внешним кожухом - тоже были бы понятны. Но медные полигоны между внешним кожухом и микросхемой лишь ухудшат термостатирование. Или это для выравнивания температуры выводов и компенсации термо-ЭДС?

Да, полигоны для выравнивания температур и уменьшения термоэдс. ТермоЭДС ведь генерируется разницей температур, вот и идея дизайна заключалась в сведении этой разницы к единому среднему. К тому же оторвать полигон для проверки теории практикой значительно проще, чем обратный путь, поэтому и сделал в качестве базового варианта плату с медью. Приедут резисторы, буду экспериментировать.

Тем временем проверил резисторы Fluke, некоторые повреждены (обрывы на краях), так что стереомикроскоп снова незаменимый друг ремонтника
Основные пострадальцы - 250Ком, у них проволока совсем уж тоненькая.

Тест после ремонта одного из резисторов:

Комнатная температура:





Окунаем в азот (77К)

А если LTZ1000 окунуть?
Материал,начём намотан микропровод - слюда?
Сколько сопротивление после криошока стало?

Зачем же LTZ окунать? Хотя если спонсируете - это мы запросто
Подложка резисторов - да, слюда.
Значение сопротивления восстановилось к прежнему после оттаивания.
Правда поиздевался только над одним резистором. Не для того они приобретались все же

Продолжим работу, пока едут детальки..
Модулем для ИОНов будет выступать следующий блок:



Мелкая AVR будет служить для управления и мониторинга (температур, напряжений питания и тока потребления каждого модуля с LTZ)

Ну раз пошла "такая пьянка" ,для "чистоты" эксперимента устоить
термошок в положительную сторону, на примерно такую же величину.
Не знаю насколько стойко лаковое покрытие - может окунуть в разогретое
синтетическое масло?

Можно прогреть феном с установленной температурой потока.

xDev, и всё?!
Спасибо, читаем взахлёб.