ADALM2000實驗：調節基準電壓源

本實驗旨在構建和研究多種類型的基準電壓源/穩壓器，分為以下幾部分：

■   可調基準電壓源

■   增強基準電壓源

■   分流穩壓器

調節基準電壓源

目標

可以將先前實驗中的零增益放大器（Q1、R2）和穩定電流源（Q2、R3）與負反饋中的PNP電流鏡級（Q3、Q4）配合使用，以構建在一定的輸入電壓范圍內提供恒定或可調輸出電壓的電路。

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   無焊面包板

■   一個2.2 kΩ電阻（或其他類似值）

■   一個100 Ω電阻

■   兩個小信號NPN晶體管（2N3904或SSM2212）

■   兩個小信號PNP晶體管（2N3906或SSM2220）

說明

面包板連接如圖1所示。AWG1的輸出驅動PNP晶體管Q3和Q4的發射極。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月學子專區實驗所示進行連接，“ADALM2000 實驗： 零增益放大器。”由于Q2的VBE始終小于Q1的VBE，因此應從器件庫存中選擇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 穩壓器電路

硬件設置

波形發生器1應配置為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集電極上的穩定輸出電壓（負輸入1-和2–應接地）。

圖2 穩壓器試驗板電路

程序步驟

繪制輸出電壓（在Q4的集電極處測量）與輸入電壓的關系曲線。在多少輸入電壓電平下，輸出電壓停止變化/調節？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的變化稱為電壓調整率。將可變電阻的輸出節點接地。在輸入電壓固定（即連接到固定的Vp板電源）的情況下，測量電阻各種設置的輸出電壓。計算每個設置的電阻中的電流。輸出電壓與輸出電流的關系有何變化？這稱為負載調整。

圖3 穩壓器示波器XY圖

增強基準電壓源

目標

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

材料

■   一個2.2 kΩ電阻

■   一個100 Ω電阻

■   一個10 kΩ可變電阻（電位計）

■   一個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。共發射極輸出級Q3及其集電極負載R4提供增益。發射極跟隨器Q4驅動輸出節點并關閉負反饋環路。

圖4 增強型穩壓器

硬件設置

波形發生器W1應配置為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發射極上的穩定輸出電壓。

圖5 增強型穩壓器試驗板電路

程序步驟

重復測量此電路的壓差、線路和負載調整。它們與第一個穩壓器電路有何不同？

圖6 增強型穩壓器波形XY圖

分流穩壓器

目標

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

材料

■   ADALM2000主動學習模塊

■   無焊面包板

■   跳線

■   一個2.2 kΩ電阻（或其他類似值）

■   一個100 Ω電阻

■   一個1 kΩ電阻（或類似值）

■   一個10 kΩ可變電阻（電位計）

■   三個小信號NPN晶體管（2N3904和SSM2212）

說明

面包板連接如圖7所示。函數發生器的輸出驅動電阻R4的一端。電阻R1和R2以及晶體管Q1按照11月學子專區文章所示進行連接，”ADALM2000實驗：零增益放大器(BJT)。”電阻R3和晶體管Q2按照2021年1月文章所示進行連接，”ADALM2000實驗：穩定電流源。”如果使用SSM2212匹配的NPN對，最好將其用于器件Q1和Q2。添加Q3，將其發射極接地，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+的節點上。

圖7 帶隙分流穩壓器

硬件設置

波形發生器W1應配置為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集電極上的調節輸出電壓。

圖8 帶隙分流穩壓器試驗板電路

程序步驟

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

作者簡介

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。

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。