На предыдущей странице я упоминал универсальный калибратор постоянного напряжения/тока/сопротивления 4000A английской компании Datron. Тот экземпляр, ремонтом которого я занимался, был выпущен ещё в 1983 году

Увы, ни в 1983 году, ни сейчас достоверно ответить на этот вопрос невозможно. В сфере прецизионной измерительной аппаратуры найти техническое или хотя бы сервисное руководство иногда намного сложнее, чем сам прибор. Не смотря на то, что калибраторы Datron серий 4000 (4000, 4200, 4700) построены на одном унифицированном шасси и имеют один и тот же источник опорного напряжения, ни на один из них нет технического описания в свободном доступе. Тем не менее, мы попробуем разобраться 

Внешний вид печатной платы ИОН представлен на фото, компоненты пронумерованы мной в произвольном порядке. Обращают на себя внимание установленные на плате два операционных усилителя, три десятка прецизионных резисторов и металлическая пластина, в отверстия которой через термопасту вставлены 8 стабилитронов 1N829A, терморезистор и маломощный диод.
[URL=http://s017.radikal.ru/i416/1208/ad/78796fdaf814.jpg][IMG]http://s017.radikal.ru/i416/1208/ad/78796fdaf814t.jpg[/IMG][/URL] [URL=http://s45.radikal.ru/i109/1208/5d/ded7bb77770e.jpg][IMG]http://s45.radikal.ru/i109/1208/5d/ded7bb77770et.jpg[/IMG][/URL]
Два разъёма по краям платы служат для соединения с базовой платой (PWM делителем напряжения). На них выведены линии питания и выходного напряжения ИОН. Штыревой разъём в центре используется только в процессе настройки и тестирования ИОН на предприятии. В приборе он остаётся не подключенным.

Принципиальная схема, которая сравнительно легко читается по печатной плате, проста, как и всё гениальное:

Зачем же такие сложности с восемью стабилитронами и дискретными потенциометрами? Ответ очень прост и кроется он в применении статистических методов. Выбранный базовый элемент стабилизатора – стабилитрон 1N829A – относится к классу прецизионных термокомпенсированных и имеет номинальное напряжение стабилизации 6,2 В. Это широко распространённый и недорогой компонент, по своим характеристикам близкий к советским КС108, КС190 и т.п. (но не по цене). Исключительной его особенностью является чрезвычайно малый шум в низкочастотной области. На рисунке ниже приведён график изменения падения напряжения на одном стабилитроне 1N829A с момента включения питания. Измерения проводились мультиметром HP3458A. После стабилизации теплового режима в течении часа было рассчитано среднеквадратичное значение напряжения шумов, нормированное на напряжение стабилизации. Результат составил 0,04 ppm. Для сравнения, собственный шум мультиметра чуть менее 0,02 ppm.

Со второй проблемой всё намного сложнее. Даже после длительного (тысячи часов) искусственного старения лишь доли процента из всех стабилитронов в партии могут обеспечить требуемую стабильность параметров. Но если формировать выходное напряжение с помощью не одного, а нескольких стабилитронов, то влияние индивидуальной нестабильности на общий результат будет уменьшаться пропорционально квадратному корню из числа используемых стабилитронов. Т.е. в нашем случае можно ожидать приблизительно в 3 раза лучшие показатели. Кроме того, соединяя стабилитроны последовательно мы тем самым увеличиваем выходное напряжение ИОН. Последнее, в свою очередь, уменьшает влияние нескомпенсированных термоЭДС, возникающих, к примеру, из-за температурных градиентов.

Что ж, со стабилитронами разобрались. Идём дальше. Насколько велики требования к остальным элементам, в особенности к IC1 и делителю обратной связи на резисторах R30 и R31? В качестве IC1 выбран ОУ широкого применения типа LM101A. Он не является прецизионным, имеет напряжение смещения Uсм до нескольких милливольт с максимальным температурным коэффициентом 15 мкВ/С. Казалось бы, выбор совершенно нерациональный, учитывая заявленные точностные характеристики прибора. Но это только на первый взгляд. Тепловой дрейф Uсм, приведённый к выходу ОУ, составляет 18 мкВ при изменении температуры на каждый градус Цельсия. На сколько же изменится падение напряжения на стабилитронах? Динамическое сопротивление каждого стабилитрона в цепочке VD5-VD8 приблизительно равно 10 Ом, а общее сопротивление балластных резисторов – 736 Ом. Таким образом изменение напряжения стабилизации по отношению к дрейфу напряжения смещения ОУ будет составлять примерно 1/20 часть или 1 мкВ/C. Много это или мало? Учитывая, что падение напряжения на цепочке VD5-VD8 составляет около 25 В, вклад ОУ (0,04 ppm/C) в общую температурную погрешность в просто ничтожен.

Аналогичные рассуждения применимы и для делителя R30/R31. Если ограничить вклад температурной погрешности деления (ТКД) той же величиной в 0,04 ppm/C, то получается, что резисторы должны обеспечивать ТКД порядка 1 ppm/C. А для согласованной пары хороших прецизионных резисторов обеспечить такой ТКД – это просто пара пустяков. Кстати, если внимательно присмотреться к печатной плате, то можно заметить почти дюжину подобных высокостабильных резисторов малоизвестных ныне фирм Mann и Kelvin. Британскую Mann Components «проглотил» в 1983 году будущий электронный гигант Vishay, а Kelvin Industries вообще не оставила никаких следов в истории.

Итак, что мы имеем? Вполне законченный и самодостаточный источник опорного напряжения калибратора – так можно было бы ответить на вопрос, если не бы одно «но»: последующие каскады PWM-делителя, с которыми согласуется ИОН, требуют от него малого выходного сопротивления и напряжения в диапазоне от 20,3 до 20,9 В. Решением этих задач как раз и занимается второй операционный усилитель в составе ИОН. На резисторах R9 - R11 собран делитель, необходимый для усреднения напряжения двух с параметрических стабилизаторов и приведения результата к вышеуказанному диапазону. На прецизионном малошумящем ОУ IC2 типа uA714 (полный аналог К140УД17А) и транзисторе VT2 выполнен буферный повторитель, на который дополнительно возложена функция компенсации сопротивления контактов разъёма CN1 и соединительных проводников на платах ИОН и PWM-делителя.

Пожалуй, что можно поставить точку в конструкции ИОН. Что и было сделано инженерами Datron в 1982 году, во время первого запуска в производство калибраторов 4000-й серии. Однако год спустя выявилась ещё одна проблема с ИОН: обеспечить температурный коэффициент < 0,3 ppm/C оказалось не так-то и просто. А всё потому, что нулевой ТКН стабилитронов обеспечивается лишь в узкой температурной области. К тому же при комплектовании групп стабилитронов естественный разброс параметров существует даже в пределах одной группы. В дополнение к этому, масштабирующий делитель R9 – R11 стоит после параметрического стабилизатора и его температурный коэффициент в полной мере сказывается на общей стабильности выходного напряжения ИОН.