LM399H精密参考电压源

01 LM399H参考电压源

一、前言

手边这颗高精度参考电压源是从一台分析仪器中拆卸下来的。它的型号为 LM399H。它具有四个引脚，似乎外部的塑料壳仅仅是其保温层。在外壳边缘有一个凸起，这样便可以确定它的管脚功能定义。数据手册上给出了从凸起开始，逆时针为管脚1到4.下面对于这颗参考电压源的功能特性进行测试。

二、测试结果

为了便于测量，使用四芯扁平电缆将 LM399H 引到一个 4PIN 的插针上。这样便可以借助于面包板进行测量。根据焊接的顺序，可以确定四个插针的管脚。红色定义了第一个管脚，从上往下分别是1,2,3,4 管脚。

根据数据手册中定义的功能，在 1,2 管教之间为一个6.95V的稳压二极管。4，2 之间存在一个二极管。4,3 之间存在一个加热齐纳二极管。从3 到 1 之间存在一个导通回路。使用数字万用表测量，在1,2 之间可以测量一个单向导通的通路，前向导通电压为 0.891V。在4,2 之间存在一个单向导通二极管。前向导通电压为 0.691V。在3,4之间  也是一个单向导通回路。前向导通电压为 0.575V .。

测量1，2 管脚之间的稳压特性。使用一个上拉电阻 连接1管脚到正电源，电阻使用10k欧姆，利用万用表测量1,2 之间的电压。电压幅值为 6.938V。下面通过编程，逐步升高工作电压，测量1,2 管脚电压变化情况。

记录工作电压与输出电压曲线，当输入电压大于10V之后，输出电压便开始稳压在7V左右。在7V 到10V之间，输出电压随着输入电压的增加逐步上升。绘制 10V 到 15V之间的曲线。看起来这个变化还是蛮复杂的。后面输出电压上升，应该是稳压二极管电流增加引起的。通过计算这个曲线的变化率，再根据负载电阻为 10kΩ，可以计算出 LM199的动态电阻为 2.39Ω。对照LM399数据手册，这比手册中给出的 1欧姆的动态电阻大了2倍多。

▲ 图1.2.1 输入电压与输出电压

▲ 图1.2.2 输入10V之后的输出电压变化

三、加热电流

下面测量内部加热齐纳管电流特性。将 3管脚连接到工作电源。测量不同工作电压下，工作电流的变化情况 。由于稳压管本身的工作电流比较小，所以测量到的工作电流大部分是加热齐纳二极管的工作电流。从测量结果来看，只有当工作电压超过 8.5V之后，工作电流才大幅度增加，这说明加热器件的确是一个齐纳二极管。当电流达到最大值之后，随着电压增加，加热电流下降。这说明内部具有恒温功能，于是，加热d电功率维持恒定，从而使得消耗的加热功率保持恒定。

▲ 图1.3.1 不同电压下的加热电流

  绘制在加热情况下，不同工作电源电压对应的稳压输出，整体上与前面单独稳压二极管的曲线是相同的。绘制出 10V之后的曲线，这部分稳压特性发生了变化。根据该曲线的斜率，可以计算出对应的动态电阻。动态电阻为 1.619欧姆，这比不加热情况下对应的动态电阻变小了。但比数据手册给定的电阻值1欧姆，还是大了 60% 左右。

▲ 图1.3.2 输入电压超过10V之后对应的输出电压

四、温度测试

1、没有内部加热

下面使用热风枪，给参考电压源加热，模拟外部温度变化。LM399H给定的工作电源为 15V。先不使用它内部的恒温加热电路。测试加热过程中输出电压。先加热1分钟，温度可以上升到 130摄氏度，然后再撤除热风枪，使其自然降温。使用DM3058测量稳压输出。输出电压随着温度增加而发生变化，在加热过程中，输出电压上升，降温过程中，输出电压下降。在这个过程中，电压变化了 6.5mV。

▲ 图1.4.1 使用热风枪加热以及撤销热风枪对应的输出电压变化

2、使用内部加热功能

将LM399H内部齐纳加热二极管连接到15V的工作电源上。重新测量参考电压源在热风枪加热下对应的电压输出，此时，对应的参考电压源外部的温度从 30到130摄氏度之间变化。输出结果让人感到惊讶。可以看到在整个的升温和降温的过程中，输出参考电压变化不超过 0.5mV。因此 LM399H的高性能来自于它内部的恒温功能。

▲ 图1.4.2 带有内不加热情况下温度变化过程

※ 总  结 ※

本文对于高精度参考电压源 LM399进行了测试。它内部带有齐纳加热二极管，能够对稳压二极管进行恒温。从测量结果来看，当外部温度从 30摄氏度 变化到 130摄氏度的过程中，增加了内部恒温之后，输出电压变化不超过0.5mV。从这里来看，内部的恒温控制，是LM399H能够输出高精度参考电压的关键。但与此对应，该参考电压源的功耗也非常高。

▲ 图2.1 内部加热对于输出电压的影响

参考资料

[1]LM399: https://www.analog.com/cn/products/lm399.html