ADALM2000實(shí)驗(yàn)：調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓源

本實(shí)驗(yàn)旨在構(gòu)建和研究多種類型的基準(zhǔn)電壓源/穩(wěn)壓器，分為以下幾部分：

■   可調(diào)基準(zhǔn)電壓源

■   增強(qiáng)基準(zhǔn)電壓源

■   分流穩(wěn)壓器

調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓源

目標(biāo)

可以將先前實(shí)驗(yàn)中的零增益放大器（Q1、R2）和穩(wěn)定電流源（Q2、R3）與負(fù)反饋中的PNP電流鏡級（Q3、Q4）配合使用，以構(gòu)建在一定的輸入電壓范圍內(nèi)提供恒定或可調(diào)輸出電壓的電路。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   一個(gè)2.2 kΩ電阻（或其他類似值）

■   一個(gè)100 Ω電阻

■   兩個(gè)小信號NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

■   兩個(gè)小信號PNP晶體管（2N3906或SSM2220）

說明

面包板連接如圖1所示。AWG1的輸出驅(qū)動(dòng)PNP晶體管Q3和Q4的發(fā)射極。Q3和Q4配置為電流鏡，其基極與Q3的集電極相連。Q4的集電極連接到電阻R1。電阻R1和R2以及晶體管Q1按照2020年11月學(xué)子專區(qū)實(shí)驗(yàn)所示進(jìn)行連接，“ADALM2000 實(shí)驗(yàn)： 零增益放大器?！庇捎赒2的VBE始終小于Q1的VBE，因此應(yīng)從器件庫存中選擇Q1和Q2，使得（在相同的集電極電流下）Q2的VBE小于Q1的VBE。晶體管Q2的基極連接到Q1集電極的零增益輸出。Q2的集電極連接到PNP電流鏡的輸入端，即Q3的基極和集電極。2+（單端）示波器輸入用于測量Q4集電極上的輸出電壓。

圖1 穩(wěn)壓器電路

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器1應(yīng)配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏置為2 V。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量Q4集電極上的穩(wěn)定輸出電壓（負(fù)輸入1-和2–應(yīng)接地）。

圖2 穩(wěn)壓器試驗(yàn)板電路

程序步驟

繪制輸出電壓（在Q4的集電極處測量）與輸入電壓的關(guān)系曲線。在多少輸入電壓電平下，輸出電壓停止變化/調(diào)節(jié)？這稱為壓差。對于輸入電壓高于壓差的情況，輸入電壓每變化一伏，輸出電壓變化多少？VOUT的變化/VIN的變化稱為電壓調(diào)整率。將可變電阻的輸出節(jié)點(diǎn)接地。在輸入電壓固定（即連接到固定的Vp板電源）的情況下，測量電阻各種設(shè)置的輸出電壓。計(jì)算每個(gè)設(shè)置的電阻中的電流。輸出電壓與輸出電流的關(guān)系有何變化？這稱為負(fù)載調(diào)整。

圖3 穩(wěn)壓器示波器XY圖

增強(qiáng)基準(zhǔn)電壓源

目標(biāo)

上一節(jié)中穩(wěn)壓器電路存在的問題是，可用于輸出負(fù)載的電流受到通過PNP Q3和Q4映射的NPN Q2提供的反饋電流的限制。我們希望構(gòu)建一個(gè)電路，不僅在輸入電壓范圍內(nèi)，而且在輸出負(fù)載電流范圍內(nèi)都能提供恒定或可調(diào)輸出電壓。這第二個(gè)電路利用發(fā)射極跟隨器輸出級為輸出提供電流。

材料

■   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)）

■   一個(gè)4.7 kΩ電阻（可以是為所需電路操作選擇的任何類似阻值電阻）

■   四個(gè)小信號NPN晶體管（2N3904和SSM2212）

說明

面包板連接如圖4所示。晶體管Q1和電阻R1及R2依然配置為零增益放大器。晶體管Q2和可變電阻R3形成穩(wěn)定的電流源。如果使用SSM2212匹配的NPN對，最好將其用于器件Q1和Q2。共發(fā)射極輸出級Q3及其集電極負(fù)載R4提供增益。發(fā)射極跟隨器Q4驅(qū)動(dòng)輸出節(jié)點(diǎn)并關(guān)閉負(fù)反饋環(huán)路。

圖4 增強(qiáng)型穩(wěn)壓器

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器W1應(yīng)配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏置為2 V。示波器通道2 (2+)用于測量Q4發(fā)射極上的穩(wěn)定輸出電壓。

圖5 增強(qiáng)型穩(wěn)壓器試驗(yàn)板電路

程序步驟

重復(fù)測量此電路的壓差、線路和負(fù)載調(diào)整。它們與第一個(gè)穩(wěn)壓器電路有何不同？

圖6 增強(qiáng)型穩(wěn)壓器波形XY圖

分流穩(wěn)壓器

目標(biāo)

可以將零增益放大器（Q1、R2）和穩(wěn)定電流源（Q2、R3）與負(fù)反饋中的共發(fā)射極放大器級(Q3)配合使用，以構(gòu)建在一定的輸入電流范圍內(nèi)提供恒定或可調(diào)輸出電壓的2端口電路。

材料

■   ADALM2000主動(dòng)學(xué)習(xí)模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   一個(gè)2.2 kΩ電阻（或其他類似值）

■   一個(gè)100 Ω電阻

■   一個(gè)1 kΩ電阻（或類似值）

■   一個(gè)10 kΩ可變電阻（電位計(jì)）

■   三個(gè)小信號NPN晶體管（2N3904和SSM2212）

說明

面包板連接如圖7所示。函數(shù)發(fā)生器的輸出驅(qū)動(dòng)電阻R4的一端。電阻R1和R2以及晶體管Q1按照11月學(xué)子專區(qū)文章所示進(jìn)行連接，”ADALM2000實(shí)驗(yàn)：零增益放大器(BJT)。”電阻R3和晶體管Q2按照2021年1月文章所示進(jìn)行連接，”ADALM2000實(shí)驗(yàn)：穩(wěn)定電流源?！比绻褂肧SM2212匹配的NPN對，最好將其用于器件Q1和Q2。添加Q3，將其發(fā)射極接地，基極連接到Q2的集電極，集電極連接到組合R1、R3、R4和示波器輸入2+的節(jié)點(diǎn)上。

圖7 帶隙分流穩(wěn)壓器

硬件設(shè)置

波形發(fā)生器W1應(yīng)配置為1 kHz三角波，峰峰值幅度為4 V，偏置為2 V。示波器通道2的單端輸入(2+)用于測量Q3集電極上的調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖8 帶隙分流穩(wěn)壓器試驗(yàn)板電路

程序步驟

配置示波器以捕獲測量的兩個(gè)信號的多個(gè)周期。確保啟用XY功能。圖9提供了示波器顯示的圖像示例。調(diào)節(jié)可變電阻R3時(shí)，觀察輸出電壓的調(diào)節(jié)。

作者簡介

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，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，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。

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。