ADALM2000实验：生成负基准电压

作者：Antoniu Miclaus，系统应用工程师和Doug Mercer，顾问研究员，ADI公司

目标
本次实验旨在研究产生负基准电压的方法。正基准电压源或稳压器配置更常见。从正电压产生负基准电压的传统方法涉及反相运算放大器级，其往往依赖精密匹配电阻以实现高精度。

背景知识
在图1a中，使用简单的齐纳二极管电路产生正基准电压+VREF，该电路由来自齐纳二极管稳压器实验活动的RZ和DZ组成。正基准电压源通常包括一个同相运算放大器缓冲器，用于调整输出电压并提供负载所需的任何电流。产生负基准电压的显而易见的方法是使用反相运算放大器级。运算放大器将+VREF反相，在输出端提供-VREF。这种方法需要两个精密电阻R1和R2。这两个电阻的匹配误差（例如，不同的精度和不同的温度系数）以及运算放大器中的电压失调，会在运算放大器的输出端(+VREF)产生误差，如图1a所示。然而，这种反相放大器配置的一个潜在附带好处是-VREF不需要具有与+VREF相同的绝对值。通过改变R1和R2的比值，可以放大或缩小负基准电压。我们将在本实验活动中研究的另一种配置如图1b所示。它能产生负基准电压，不依赖于成比例的匹配电阻，并有可能以更少的元件提供更高的精度。


图1.生成-VREF的两种可能方法：(a)使用两个匹配电阻（R1和R2）的标准方法，以及(b)不使用电阻的更高精度方法

考察图1a可以发现，由于反相运算放大器配置的虚地特性，齐纳电压+VREF作用于电阻R1上。如果R2正好等于R1，则同一电压VREF也会出现在R2上，但相对于地的符号相反。R2两端的电压与齐纳二极管两端的电压相同，因此我们实际上可以用反馈环路中的二极管代替R2，如图1b所示，并且仍然在-VREF处产生相同的电压。RZ只是设置齐纳二极管中的偏置电流水平，与图1a中的RZ非常相似。在图1b中，IZ等于VDD/RZ，而在图1a中，IZ等于(VDD – +VREF)/RZ。为使两种情况下的设计具有相同的IZ，我们只需更改RZ的值。电容C1解耦接地端和输出端之间的基准二极管。此外，具有低电感的0.1μF电源解耦电容（图1中未显示）通常连接到+VDD和-VSS，非常靠近运算放大器。

电路描述
理论上，此电路可以利用几乎任何三端基准电压源电路和低噪声、低失调运算放大器来构建。为了基于带隙概念构建负基准电压源，我们原本需要高质量PNP晶体管，但当前IC工艺中普遍使用的PNP，其质量不如现有NPN器件高。这些基于NPN的带隙电路将提供若干例子，我们可以利用这些例子来探索该负基准电压源的配置。本实验第1步中的第一次电路迭代将使用二极管作为基准，后续迭代将代之以基于NPN晶体管的双端（并联）和三端（串联）电路作为基准元件。

材料
►        ADALM2000主动学习模块
►        无焊试验板和跳线套件
►        一个4.7 kΩ电阻
►        两个1.5 kΩ电阻
►        两个20 kΩ电阻
►        一个2.2 kΩ电阻
►        一个100 Ω电阻
►        一个10 kΩ可变电阻（电位计）
►        四个小信号NPN晶体管（2N3904和SSM2212）
►        两个LED（任何颜色都可以）
►        一个OP482或OP484四通道运算放大器
►        一个1 nF电容
►        两个0.01μF电容
►        两个0.1μF电容（电源解耦电容，用于+5 V和-5 V电源）

第1步
ADALP2000模拟部件套件中提供的齐纳二极管(1N4735)是6.1 V二极管。6.1 V的反向击穿电压太高，无法使用ADALM2000硬件的固定±5 V电源来构建该电路。LED的正向电压在1.6 V至2.0 V范围内，具体取决于二极管的颜色。虽然它不是合适的基准二极管，但我们可以使用ADALP2000模拟部件套件中的LED构建教学用电路。

在无焊试验板上构建图2所示的图1a和图1b两个版本的电路。最好使用两个颜色相同的LED。绿光LED的正向压降高于红光或黄光LED。我们希望二极管电流ID约为1 mA。在两个版本的电路中，电流ID应接近相同的值（见图1a和图1b）。在情况a中，ID将为(+5 V – VD)/R3。在情况b中，ID将为+5 V/R4，因此4.7 kΩ电阻将产生约1 mA电流。如果使用2 V作为VD的估计值，则R3约为3 kΩ。将部件套件中的两个1.5 kΩ电阻串联，便可获得3 kΩ电阻。另外，对于情况a，我们需要选取R1和R2的值。我们希望R1中的电流比R3中的电流小得多。因此，R1和R2应设置为非常高的值，例如20 kΩ应满足该条件。


图2.生成-VREF的两种可能方法：(a)使用两个匹配电阻（R1和R2）的标准方法，以及(b)不使用电阻的更高精度方法——使用LED代替图1a和1b中的齐纳二极管

硬件设置
从Scopy软件中打开电压源控制和电压表窗口。可以使用数字万用表（即DMM，如果有的话）来测量电路中的直流电压，其精度高于Scopy电压表。试验板连接如图3所示。

程序步骤
打开正负电源。观察-VREF处（运算放大器的引脚8和14）和LED上+VREF处的两个电压。


图3.基于LED的稳压器试验板连接


图4.Scopy电压表电压读数示例

第2步
修改第1步中的试验板设置，如图5所示。对试验板进行任何修改之前，确保关闭电源。用并联稳压器替换LED。电阻R1和R2以及晶体管Q1连接为零增益放大器。如同在稳定电流源中一样添加电阻R3和晶体管Q2。如果使用SSM2212匹配的NPN对，应将其用于器件Q1和Q2。添加Q3作为共发射极，其基极连接到Q2的集电极，集电极连接到R1、R3和R4的组合节点。


图5.NPN并联带隙基准电压源示例

硬件设置
设置与第1步中的设置相同。试验板连接如图6所示。

程序步骤
打开正负电源。观察-VREF处（运算放大器的引脚14）的电压和带隙并联稳压器（Q3的集电极和发射极）上的电压。可以调整电位计R3以产生-1.25 V基准电压。

测试电源裕量
为了测试+VDD的裕量要求，断开固定正电源与+VDD的连接，并移除所有电源解耦电容。对试验板进行任何更改或增加之前，确保关闭电源。现在将+VDD连接到AWG 1。将AWG 1设置为100 Hz的梯形波形。将幅度设置为5 V峰峰值，偏移设置为2.5 V，以获得0 V至+5 V摆幅。将示波器通道1连接到AWG1的输出端，并将示波器通道2连接到第一个示例电路的-VREF，即OP482的引脚14。在XY模式下使用示波器仪表，示波器通道为X，示波器通道2为Y。启动AWG 1，打开固定的-5 V电源。记录-VREF开始保持-1.25 V不变情况下的最小+VDD电压。

为了测试-VSS的裕量要求，将+VDD重新连接到固定正电源。断开固定负电源与-VSS的连接，并移除所有电源解耦电容。现在将-VSS连接到AWG 1。将幅度设置为5 V峰峰值，偏移设置为-2.5 V，以获得0至-5 V摆幅。启动AWG 1，打开固定的+5 V电源。重复测量OP482的引脚14，记录基准电压保持恒定情况下的最低-VSS值。


图6.NPN并联带隙基准电压源试验板连接

第3步
修改第1步中的试验板设置，如图7所示。对试验板进行任何修改之前，确保关闭电源。添加发射极跟随器Q4和补偿电容C1，将第2步中使用的双端并联稳压器变更为三端基准电压源。


图7.NPN三端带隙基准电压源示例

硬件设置
设置与第1步中的设置相同。试验板连接如图7所示。

程序步骤
打开正负电源。观察-VREF处（运算放大器的引脚14）的电压和带隙三端稳压器（Q4的发射极和Q3的发射极）上的电压。

问题：
1.        对于图2中的电路，如果将绿光LED替换为红光或黄光LED，输出基准电压值会发生什么变化？

您可以在学子专区论坛上找到问题答案。


图8.NPN三端带隙基准电压源试验板连接


关于作者
Antoniu Miclaus现为ADI公司的系统应用工程师，从事ADI教学项目工作，同时为Circuits from the Lab®、QA自动化和流程管理开发嵌入式软件。他于2017年2月在罗马尼亚克卢日-纳波卡加盟ADI公司。他目前是贝碧思鲍耶大学软件工程硕士项目的理学硕士生，拥有克卢日-纳波卡科技大学电子与电信工程学士学位。

Doug Mercer于1977年毕业于伦斯勒理工学院(RPI)，获电子工程学士学位。自1977年加入ADI公司以来，他直接或间接贡献了30多款数据转换器产品，并拥有13项专利。他于1995年被任命为ADI研究员。2009年，他从全职工作转型，并继续以名誉研究员身份担任ADI顾问，为“主动学习计划”撰稿。2016年，他被任命为RPI ECSE系的驻校工程师。