目標(biāo)
本次實(shí)驗(yàn)旨在研究產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)電壓的方法。正基準(zhǔn)電壓源或穩(wěn)壓器配置更常見(jiàn)。從正電壓產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)電壓的傳統(tǒng)方法涉及反相運(yùn)算放大器級(jí)，其往往依賴(lài)精密匹配電阻以實(shí)現(xiàn)高精度。
背景知識(shí)
在圖1a中，使用簡(jiǎn)單的齊納二極管電路產(chǎn)生正基準(zhǔn)電壓+VREF，該電路由來(lái)自齊納二極管穩(wěn)壓器實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的RZ和DZ組成。正基準(zhǔn)電壓源通常包括一個(gè)同相運(yùn)算放大器緩沖器，用于調(diào)整輸出電壓并提供負(fù)載所需的任何電流。產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)電壓的顯而易見(jiàn)的方法是使用反相運(yùn)算放大器級(jí)。運(yùn)算放大器將+VREF反相，在輸出端提供-VREF。這種方法需要兩個(gè)精密電阻R1和R2。這兩個(gè)電阻的匹配誤差(例如，不同的精度和不同的溫度系數(shù))以及運(yùn)算放大器中的電壓失調(diào)，會(huì)在運(yùn)算放大器的輸出端(+VREF)產(chǎn)生誤差，如圖1a所示。然而，這種反相放大器配置的一個(gè)潛在附帶好處是-VREF不需要具有與+VREF相同的絕對(duì)值。通過(guò)改變R1和R2的比值，可以放大或縮小負(fù)基準(zhǔn)電壓。我們將在本實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中研究的另一種配置如圖1b所示。它能產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)電壓，不依賴(lài)于成比例的匹配電阻，并有可能以更少的元件提供更高的精度。
圖1.生成-VREF的兩種可能方法：(a)使用兩個(gè)匹配電阻(R1和R2)的標(biāo)準(zhǔn)方法，以及(b)不使用電阻的更高精度方法
考察圖1a可以發(fā)現(xiàn)，由于反相運(yùn)算放大器配置的虛地特性，齊納電壓+VREF作用于電阻R1上。如果R2正好等于R1，則同一電壓VREF也會(huì)出現(xiàn)在R2上，但相對(duì)于地的符號(hào)相反。R2兩端的電壓與齊納二極管兩端的電壓相同，因此我們實(shí)際上可以用反饋環(huán)路中的二極管代替R2，如圖1b所示，并且仍然在-VREF處產(chǎn)生相同的電壓。RZ只是設(shè)置齊納二極管中的偏置電流水平，與圖1a中的RZ非常相似。在圖1b中，IZ等于VDD/RZ，而在圖1a中，IZ等于(VDD – +VREF)/RZ。為使兩種情況下的設(shè)計(jì)具有相同的IZ，我們只需更改RZ的值。電容C1解耦接地端和輸出端之間的基準(zhǔn)二極管。此外，具有低電感的0.1μF電源解耦電容(圖1中未顯示)通常連接到+VDD和-VSS，非常靠近運(yùn)算放大器。
電路描述
理論上，此電路可以利用幾乎任何三端基準(zhǔn)電壓源電路和低噪聲、低失調(diào)運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)建。為了基于帶隙概念構(gòu)建負(fù)基準(zhǔn)電壓源，我們?cè)拘枰哔|(zhì)量PNP晶體管，但當(dāng)前IC工藝中普遍使用的PNP，其質(zhì)量不如現(xiàn)有NPN器件高。這些基于NPN的帶隙電路將提供若干例子，我們可以利用這些例子來(lái)探索該負(fù)基準(zhǔn)電壓源的配置。本實(shí)驗(yàn)第1步中的第一次電路迭代將使用二極管作為基準(zhǔn)，后續(xù)迭代將代之以基于NPN晶體管的雙端(并聯(lián))和三端(串聯(lián))電路作為基準(zhǔn)元件。
材料
? ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊
? 無(wú)焊試驗(yàn)板和跳線套件
? 一個(gè)4.7 kΩ電阻
? 兩個(gè)1.5 kΩ電阻
? 兩個(gè)20 kΩ電阻
? 一個(gè)2.2 kΩ電阻
? 一個(gè)100 Ω電阻
? 一個(gè)10 kΩ可變電阻(電位計(jì))
? 四個(gè)小信號(hào)NPN晶體管(2N3904和SSM2212)
? 兩個(gè)LED(任何顏色都可以)
? 一個(gè)OP482或OP484四通道運(yùn)算放大器
? 一個(gè)1 nF電容
? 兩個(gè)0.01μF電容
? 兩個(gè)0.1μF電容(電源解耦電容，用于+5 V和-5 V電源)
第1步
ADALP2000模擬部件套件中提供的齊納二極管(1N4735)是6.1 V二極管。6.1 V的反向擊穿電壓太高，無(wú)法使用ADALM2000硬件的固定±5 V電源來(lái)構(gòu)建該電路。LED的正向電壓在1.6 V至2.0 V范圍內(nèi)，具體取決于二極管的顏色。雖然它不是合適的基準(zhǔn)二極管，但我們可以使用ADALP2000模擬部件套件中的LED構(gòu)建教學(xué)用電路。
在無(wú)焊試驗(yàn)板上構(gòu)建圖2所示的圖1a和圖1b兩個(gè)版本的電路。最好使用兩個(gè)顏色相同的LED。綠光LED的正向壓降高于紅光或黃光LED。我們希望二極管電流ID約為1 mA。在兩個(gè)版本的電路中，電流ID應(yīng)接近相同的值(見(jiàn)圖1a和圖1b)。在情況a中，ID將為(+5 V – VD)/R3。在情況b中，ID將為+5 V/R4，因此4.7 kΩ電阻將產(chǎn)生約1 mA電流。如果使用2 V作為VD的估計(jì)值，則R3約為3 kΩ。將部件套件中的兩個(gè)1.5 kΩ電阻串聯(lián)，便可獲得3 kΩ電阻。另外，對(duì)于情況a，我們需要選取R1和R2的值。我們希望R1中的電流比R3中的電流小得多。因此，R1和R2應(yīng)設(shè)置為非常高的值，例如20 kΩ應(yīng)滿足該條件。
圖2.生成-VREF的兩種可能方法：(a)使用兩個(gè)匹配電阻(R1和R2)的標(biāo)準(zhǔn)方法，以及(b)不使用電阻的更高精度方法——使用LED代替圖1a和1b中的齊納二極管
硬件設(shè)置
從Scopy軟件中打開(kāi)電壓源控制和電壓表窗口?？梢允褂脭?shù)字萬(wàn)用表(即DMM，如果有的話)來(lái)測(cè)量電路中的直流電壓，其精度高于Scopy電壓表。試驗(yàn)板連接如圖3所示。
程序步驟
打開(kāi)正負(fù)電源。觀察-VREF處(運(yùn)算放大器的引腳8和14)和LED上+VREF處的兩個(gè)電壓。
圖3.基于LED的穩(wěn)壓器試驗(yàn)板連接
圖4.Scopy電壓表電壓讀數(shù)示例
第2步
修改第1步中的試驗(yàn)板設(shè)置，如圖5所示。對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行任何修改之前，確保關(guān)閉電源。用并聯(lián)穩(wěn)壓器替換LED。電阻R1和R2以及晶體管Q1連接為零增益放大器。如同在穩(wěn)定電流源中一樣添加電阻R3和晶體管Q2。如果使用SSM2212匹配的NPN對(duì)，應(yīng)將其用于器件Q1和Q2。添加Q3作為共發(fā)射極，其基極連接到Q2的集電極，集電極連接到R1、R3和R4的組合節(jié)點(diǎn)。
圖5.NPN并聯(lián)帶隙基準(zhǔn)電壓源示例
硬件設(shè)置
設(shè)置與第1步中的設(shè)置相同。試驗(yàn)板連接如圖6所示。
程序步驟
打開(kāi)正負(fù)電源。觀察-VREF處(運(yùn)算放大器的引腳14)的電壓和帶隙并聯(lián)穩(wěn)壓器(Q3的集電極和發(fā)射極)上的電壓?？梢哉{(diào)整電位計(jì)R3以產(chǎn)生-1.25 V基準(zhǔn)電壓。
測(cè)試電源裕量
為了測(cè)試+VDD的裕量要求，斷開(kāi)固定正電源與+VDD的連接，并移除所有電源解耦電容。對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行任何更改或增加之前，確保關(guān)閉電源?，F(xiàn)在將+VDD連接到AWG 1。將AWG 1設(shè)置為100 Hz的梯形波形。將幅度設(shè)置為5 V峰峰值，偏移設(shè)置為2.5 V，以獲得0 V至+5 V擺幅。將示波器通道1連接到AWG1的輸出端，并將示波器通道2連接到第一個(gè)示例電路的-VREF，即OP482的引腳14。在XY模式下使用示波器儀表，示波器通道為X，示波器通道2為Y。啟動(dòng)AWG 1，打開(kāi)固定的-5 V電源。記錄-VREF開(kāi)始保持-1.25 V不變情況下的最小+VDD電壓。
為了測(cè)試-VSS的裕量要求，將+VDD重新連接到固定正電源。斷開(kāi)固定負(fù)電源與-VSS的連接，并移除所有電源解耦電容?，F(xiàn)在將-VSS連接到AWG 1。將幅度設(shè)置為5 V峰峰值，偏移設(shè)置為-2.5 V，以獲得0至-5 V擺幅。啟動(dòng)AWG 1，打開(kāi)固定的+5 V電源。重復(fù)測(cè)量OP482的引腳14，記錄基準(zhǔn)電壓保持恒定情況下的最低-VSS值。
圖6.NPN并聯(lián)帶隙基準(zhǔn)電壓源試驗(yàn)板連接
第3步
修改第1步中的試驗(yàn)板設(shè)置，如圖7所示。對(duì)試驗(yàn)板進(jìn)行任何修改之前，確保關(guān)閉電源。添加發(fā)射極跟隨器Q4和補(bǔ)償電容C1，將第2步中使用的雙端并聯(lián)穩(wěn)壓器變更為三端基準(zhǔn)電壓源。
圖7.NPN三端帶隙基準(zhǔn)電壓源示例
硬件設(shè)置
設(shè)置與第1步中的設(shè)置相同。試驗(yàn)板連接如圖7所示。
程序步驟
打開(kāi)正負(fù)電源。觀察-VREF處(運(yùn)算放大器的引腳14)的電壓和帶隙三端穩(wěn)壓器(Q4的發(fā)射極和Q3的發(fā)射極)上的電壓。
問(wèn)題：
1. 對(duì)于圖2中的電路，如果將綠光LED替換為紅光或黃光LED，輸出基準(zhǔn)電壓值會(huì)發(fā)生什么變化?
您可以在學(xué)子專(zhuān)區(qū)論壇上找到問(wèn)題答案。
圖8.NPN三端帶隙基準(zhǔn)電壓源試驗(yàn)板連接
關(guān)于作者
Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項(xiàng)目工作，同時(shí)為Circuits from the Lab?、QA自動(dòng)化和流程管理開(kāi)發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前是貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士項(xiàng)目的理學(xué)碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。
Doug Mercer于1977年畢業(yè)于倫斯勒理工學(xué)院(RPI)，獲電子工程學(xué)士學(xué)位。自1977年加入ADI公司以來(lái)，他直接或間接貢獻(xiàn)了30多款數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，并擁有13項(xiàng)專(zhuān)利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉(zhuǎn)型，并繼續(xù)以名譽(yù)研究員身份擔(dān)任ADI顧問(wèn)，為“主動(dòng)學(xué)習(xí)計(jì)劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。
（ADI）
