Источники стабильного напряжения постоянного тока, основанные на "взрослых" опорных элементах, типа LTZ1000, LTFLU-1 или LM399, безусловно лучшие в своём классе. Но к сожалению обладают одним коллективным недостатком - они избыточны для большинства любительских применений. Причём избыточность эта многосторонняя: здесь и сложность принципиальных схем, дороговизна и труднодоставаемость вышеупомянутых элементов, капризность в настройке и т. д. и т. п.
Возникает резонный вопрос: можно ли найти альтернативный, более простой, дешёвый и технологичный способ постройки ИОН, пусть и с более приземлёнными техническими характеристиками. Ведь на самом деле, радиолюбителей, повседневно использующих 5,5-6,5 разрядные мультиметры, даже сейчас днём с огнём не отыщешь!
Разумеется способ такой существует. Это не что иное, как обычный компенсационный стабилизатор напряжения с опорным элементом (стабилитроном) в выходной цепи. Азбучная схемотехника подобного стабилизатора в самом простейшем случае включает в себя три резистора, ОУ, стабилитрон, и... ничего больше. Не стоит однако думать, что исключительная простота, если не сказать примитивность принципиальной схемы ИОН позволит получить лишь весьма посредственные характеристики. Это совсем не так. Если рассмотреть всё множество существующих на сегодняшний день калибраторов, мультиметров, рабочих и транспортных мер напряжения высокого класса точности/стабильности, а затем исключить из этого множества все приборы, которые используют вышеупомянутые "взрослые" опорные элементы, то в сухом остатке мы получим приборы, "сердцем" ИОН которых в 9 случаях из 10 будет обычный стабилитрон.
Секрет столь широкого распространения стабилитронных ИОН очень прост - это невероятная структурно-параметрическая гибкость. Именно благодаря высокой гибкости один и тот же схемотехнический тип ИОН можно с минимальными изменениями адаптировать под нужды приборов с совершенно различными метрологическими характеристиками: буквально от 3,5-разрядных карманных "показометров" до 7,5- и даже 8,5-разрядных прецизионных мультиметров.
Вот несколько типичных примеров из отечественного и зарубежного приборостроения.
1) Транспортная мера напряжения универсального калибратора-вольтметра Н4-12:
Мера имеет заявленную стабильность 4 ppm/год и ТКН 0,2 ppm/С. Поскольку выходное напряжение меры должно быть стабильно диапазоне температур, в этом ИОН применяется термостатирование основных элементов. Для обеспечения возможности точной подстройки под номинал 10,000000 В в принципиальную схему введён ЦАП.
2) Источник калибровочных напряжений (ИКН) вольтметра-калибратора постоянного тока В1-18:
Здесь наблюдается несколько иная ситуация. От источника калибровочных напряжений не требуется «красивое» значение выходного напряжения, поскольку дальнейшее его масштабирование (деление) выполняется с помощью ЦАП на базе ШИМ. Последний обеспечивает дискретность изменения напряжения 1 мкВ в диапазоне от 0 до 11 В. Таким образом, в схеме ИКН мы не увидим прецизионных резисторов (R1 и R2 на предыдущем рисунке), отношение которых определяет выходное напряжение источника, а их нестабильность включается в общую погрешность меры. Зато их место заняла ещё одна цепочка из балластного резистора (R3) и второго стабилитрона. Разумеется, как и в предыдущем случае всё это размещено в активном термостате.
3) Рассмотрим опыт зарубежных производителей прецизионных измерительных приборов на примере фирмы Datron Instruments. Ниже на фото слева направо представлены источники опорного напряжения двух мультиметров (моделей 1071 и 1081) и одного калибратора (модели 4000A):
Не смотря на то, что приборы существенно отличаются по метрологическим характеристикам, общим для них является структурная схема применяемого ИОН. В мультиметре Datron 1071 он двухканальный биполярный и собран на базе широко распространённых стабилитронов 1N829 (по одному на каждую полярность). На выводах стабилитронов можно заметить странные бумажки с числами. Числа на них представляют собой условное обозначение комплекта. Ведь к каждому стабилитрону на предприятии подбирается в пару резистор, задающий рабочий ток внутри области минимального температурного коэффициента напряжения стабилизации. В конечном итоге такими небольшими усилиями обеспечивается долговременная стабильность мультиметра в 24 ppm/год (здесь и далее для диапазона температур 23+/-5 С) и температурный коэффициент 1,8 ppm/C. Причём характеристики ИОН лишь частично определяют итоговые характеристики прибора.
Мультиметр Datron 1081 имеет точно такую же структуру ИОН, как и его младший брат 1071-й, но обладает просто феноменальными показателями точности и стабильности. Можно с полной уверенностью сказать, что Datron 1081 является самым лучшим среди всех существующих 7,5-разрядных мультиметров на свете, по крайней мере при измерении постоянного напряжения. Секрет такого достижения кроется в числе прочего и в модернизированном источнике опорного напряжения. Как видно на фото, стабилитронов стало в 2 раза больше, причём они установлены попарно в алюминиевых призмах через теплопроводящую пасту. Эти изменения в первую очередь обусловлены тем, что прецизионные стабилитроны имеют очень узкий интервал температур, при котором достигается минимальный ТКН. Намного проще выбрать два стабилитрона (каждый с собственной рабочей точкой), у которых функциональные зависимости ТКН обратные по знаку. Остаётся лишь только усреднить последние, например, простейшей резисторной цепочкой. Но это не единственное из преимуществ, которые даёт увеличение количества однотипных стабилитронов в ИОН. На втором месте конечно же увеличение долговременной стабильности и снижение шума в наиболее критичном диапазоне 0,1 – 10 Гц. Разумеется не в 2 раза, а только на пару десятков процентов, но для прецизионной техники и это уже большое достижение. В итоге имеем прибор с долговременной стабильностью в 12,5 ppm/год и температурным коэффициентом 1,0 ppm/C.
Последний на фото - калибратор Datron 4000A - имеет в своём составе унифицированный блок ИОН, применявшийся и во многих других калибраторах этой фирмы. Отличительной его особенностью является рекордное количество стабилитронов 1N829 – аж 8 штук, соединённых попарно-последовательно и размещённых конструктивно на одной алюминиевой теплораспределительной пластине. Кстати, если снять её крышку, то будут видны 8 бумажных флажков с надписями, приклеенных к выводам стабилитронов. Назначение их, я думаю, уже понятно. А если обратить внимание на спецификацию прибора, то станет понятно и то, зачем разработчики решили «взять числом»: обеспечиваемая калибратором долговременная стабильность составляет 5,25 ppm/год, а температурный коэффициент 0,3 ppm/C!
