作者：Antoniu Miclaus，系統應用工程師和Doug Mercer，顧問研究員

目標

本次實驗旨在研究產生負基準電壓的方法。正基準電壓源或穩壓器配置更常見。從正電壓產生負基準電壓的傳統方法涉及反相運算放大器級，其往往依賴精密匹配電阻以實現高精度。

背景知識

在圖1a中，使用簡單的齊納二極管電路產生正基準電壓+VREF，該電路由來自齊納二極管穩壓器實驗活動的RZ和DZ組成。正基準電壓源通常包括一個同相運算放大器緩沖器，用于調整輸出電壓并提供負載所需的任何電流。產生負基準電壓的顯而易見的方法是使用反相運算放大器級。運算放大器將+VREF反相，在輸出端提供-VREF。這種方法需要兩個精密電阻R1和R2。這兩個電阻的匹配誤差（例如，不同的精度和不同的溫度系數）以及運算放大器中的電壓失調，會在運算放大器的輸出端(+VREF)產生誤差，如圖1a所示。然而，這種反相放大器配置的一個潛在附帶好處是-VREF不需要具有與+VREF相同的絕對值。通過改變R1和R2的比值，可以放大或縮小負基準電壓。我們將在本實驗活動中研究的另一種配置如圖1b所示。它能產生負基準電壓，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)使用兩個匹配電阻（R1和R2）的標準方法，以及(b)不使用電阻的更高精度方法

考察圖1a可以發現，由于反相運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也會出現在R2上，但相對于地的符號相反。R2兩端的電壓與齊納二極管兩端的電壓相同，因此我們實際上可以用反饋環路中的二極管代替R2，如圖1b所示，并且仍然在-VREF處產生相同的電壓。RZ只是設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計具有相同的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電壓源電路和低噪聲、低失調運算放大器來構建。為了基于帶隙概念構建負基準電壓源，我們原本需要高質量PNP晶體管，但當前IC工藝中普遍使用的PNP，其質量不如現有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探索該負基準電壓源的配置。本實驗第1步中的第一次電路迭代將使用二極管作為基準，后續迭代將代之以基于NPN晶體管的雙端（并聯）和三端（串聯）電路作為基準元件。

材料

ADALM2000主動學習模塊

無焊試驗板和跳線套件

一個4.7 kΩ電阻

兩個1.5 kΩ電阻

兩個20 kΩ電阻

一個2.2 kΩ電阻

一個100 Ω電阻

一個10 kΩ可變電阻（電位計）

四個小信號NPN晶體管（2N3904和SSM2212）

兩個LED（任何顏色都可以）

一個OP482或OP484四通道運算放大器

一個1 nF電容

兩個0.01μF電容

兩個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，無法使用ADALM2000硬件的固定±5 V電源來構建該電路。LED的正向電壓在1.6 V至2.0 V范圍內，具體取決于二極管的顏色。雖然它不是合適的基準二極管，但我們可以使用ADALP2000模擬部件套件中的LED構建教學用電路。

在無焊試驗板上構建圖2所示的圖1a和圖1b兩個版本的電路。最好使用兩個顏色相同的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。在兩個版本的電路中，電流ID應接近相同的值（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電阻將產生約1 mA電流。如果使用2 V作為VD的估計值，則R3約為3 kΩ。將部件套件中的兩個1.5 kΩ電阻串聯，便可獲得3 kΩ電阻。另外，對于情況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應設置為非常高的值，例如20 kΩ應滿足該條件。

圖2.生成-VREF的兩種可能方法：(a)使用兩個匹配電阻（R1和R2）的標準方法，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

硬件設置

從Scopy軟件中打開電壓源控制和電壓表窗口。可以使用數字萬用表（即DMM，如果有的話）來測量電路中的直流電壓，其精度高于Scopy電壓表。試驗板連接如圖3所示。

程序步驟

打開正負電源。觀察-VREF處（運算放大器的引腳8和14）和LED上+VREF處的兩個電壓。

圖3.基于LED的穩壓器試驗板連接

圖4.Scopy電壓表電壓讀數示例

第2步

修改第1步中的試驗板設置，如圖5所示。對試驗板進行任何修改之前，確保關閉電源。用并聯穩壓器替換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，應將其用于器件Q1和Q2。添加Q3作為共發射極，其基極連接到Q2的集電極，集電極連接到R1、R3和R4的組合節點。

圖5.NPN并聯帶隙基準電壓源示例

硬件設置

設置與第1步中的設置相同。試驗板連接如圖6所示。

程序步驟

打開正負電源。觀察-VREF處（運算放大器的引腳14）的電壓和帶隙并聯穩壓器（Q3的集電極和發射極）上的電壓。可以調整電位計R3以產生-1.25 V基準電壓。

測試電源裕量

為了測試+VDD的裕量要求，斷開固定正電源與+VDD的連接，并移除所有電源解耦電容。對試驗板進行任何更改或增加之前，確保關閉電源?，F在將+VDD連接到AWG 1。將AWG 1設置為100 Hz的梯形波形。將幅度設置為5 V峰峰值，偏移設置為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AWG 1，打開固定的-5 V電源。記錄-VREF開始保持-1.25 V不變情況下的最小+VDD電壓。

為了測試-VSS的裕量要求，將+VDD重新連接到固定正電源。斷開固定負電源與-VSS的連接，并移除所有電源解耦電容?，F在將-VSS連接到AWG 1。將幅度設置為5 V峰峰值，偏移設置為-2.5 V，以獲得0至-5 V擺幅。啟動AWG 1，打開固定的+5 V電源。重復測量OP482的引腳14，記錄基準電壓保持恒定情況下的最低-VSS值。

圖6.NPN并聯帶隙基準電壓源試驗板連接

第3步

修改第1步中的試驗板設置，如圖7所示。對試驗板進行任何修改之前，確保關閉電源。添加發射極跟隨器Q4和補償電容C1，將第2步中使用的雙端并聯穩壓器變更為三端基準電壓源。

圖7.NPN三端帶隙基準電壓源示例

硬件設置

設置與第1步中的設置相同。試驗板連接如圖7所示。

程序步驟

打開正負電源。觀察-VREF處（運算放大器的引腳14）的電壓和帶隙三端穩壓器（Q4的發射極和Q3的發射極）上的電壓。

問題：

對于圖2中的電路，如果將綠光LED替換為紅光或黃光LED，輸出基準電壓值會發生什么變化？

您可以在學子專區論壇上找到問題答案。

圖8.NPN三端帶隙基準電壓源試驗板連接

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Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。

關于作者

Antoniu Miclaus現為ADI公司的系統應用工程師，從事ADI教學項目工作，同時為Circuits from the Lab®、QA自動化和流程管理開發嵌入式軟件。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軟件工程碩士項目的理學碩士生，擁有克盧日-納波卡科技大學電子與電信工程學士學位。

Doug Mercer于1977年畢業于倫斯勒理工學院(RPI)，獲電子工程學士學位。自1977年加入ADI公司以來，他直接或間接貢獻了30多款數據轉換器產品，并擁有13項專利。他于1995年被任命為ADI研究員。2009年，他從全職工作轉型，并繼續以名譽研究員身份擔任ADI顧問，為“主動學習計劃”撰稿。2016年，他被任命為RPI ECSE系的駐校工程師。