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。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+V_REF，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)電壓的顯而易見的方法是使用反相運(yùn)算放大器級(jí)。運(yùn)算放大器將+V_REF反相，在輸出端提供-V_REF。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（+V_REF）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-V_REF不需要具有與+V_REF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+V_REF作用于電阻R1上。如果R2正好等于R1，則同一電壓V_REF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-V_REF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（V_DD – +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+V_DD和-V_SS，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-V_REF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軟件中打開電壓源控制和電壓表窗口。可以使用數(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

　　打開正負(fù)電源。觀察-V_REF處（運(yùn)算放大器的引腳8和14）和LED上+V_REF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

　　打開正負(fù)電源。觀察-V_REF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。可以調(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+V_DD的裕量要求，斷開固定正電源與+V_DD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+V_DD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-V_REF，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，打開固定的-5 V電源。記錄-V_REF開始保持-1.25 V不變情況下的最小+V_DD電壓。

　　為了測(cè)試-V_SS的裕量要求，將+V_DD重新連接到固定正電源。斷開固定負(fù)電源與-V_SS的連接，并移除所有電源解耦電容?，F(xiàn)在將-V_SS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-V_SS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。

　　圖8.NPN三端帶隙基準(zhǔn)電壓源試驗(yàn)板連接

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