Generowanie ujemnego napięcia odniesienia – eksperymenty z zestawem ADALM2000

Celem niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego jest zbadanie sposobów generowania ujemnych napięć odniesienia. Z praktycznego punktu widzenia można odnieść wrażenie, że szerzej dostępne są układy dodatnich napięć referencyjnych lub stabilizatorów napięć dodatnich. Konwencjonalne metody wytwarzania ujemnego napięcia odniesienia z napięcia dodatniego są oparte na wzmacniaczach operacyjnych pracujących konfiguracji odwracającej, a ich dokładność zazwyczaj zależy od precyzyjnie dopasowanych rezystorów.

Wprowadzenie

Na rysunku 1a przedstawiono prosty układ z diodą Zenera, składający się z elementów RZ i DZ, służący do wytwarzania dodatniego napięcia odniesienia +V_REF. W przypadku dodatniego napięcia odniesienia często stosuje się nieodwracający bufor zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym w celu skalowania napięcia wyjściowego i dostarczenia prądu wymaganego przez obciążenie. Oczywistą metodą generowania ujemnego napięcia odniesienia jest zastosowanie wzmacniacza odwracającego. Wzmacniacz operacyjny odwraca napięcie +V_REF i dostarcza na wyjściu –V_REF. Takie podejście wymaga zastosowania dwóch rezystorów precyzyjnych, R1 i R2. Błędy tych dwóch rezystorów (spowodowane na przykład różną dokładnością i różnymi współczynnikami temperaturowymi), w połączeniu z offsetem napięciowym wzmacniacza operacyjnego, spowoduje powstanie błędu na wyjściu wzmacniacza operacyjnego (+V_REF), co pokazano na rysunku 1a. Jednak potencjalną dodatkową zaletą tej odwracającej konfiguracji wzmacniacza jest to, że –V_REF nie musi mieć tej samej wartości bezwzględnej co +V_REF. Ujemne napięcie odniesienia można zwiększyć lub zmniejszyć poprzez zmianę stosunku rezystancji R1 i R2. Alternatywna konfiguracja, którą zbadamy w ramach niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego, została przedstawiona na rysunku 1b. Wytwarzane jest w niej ujemne napięcie odniesienia bez konieczności stosowania rezystorów dopasowanych pod względem stosunku wartości, potencjalnie zapewniając wyższą dokładność przy mniejszej liczbie elementów.

Rysunek 1. Dwie metody generowania napięcia –VREF: a) standardowe podejście z dwoma dopasowanymi rezystorami (R1 i R2) oraz b) podejście o wyższej dokładności bez rezystorów

Analizując rysunek 1a, widzimy, że dzięki właściwościom wirtualnej masy charakterystycznym dla konfiguracji wzmacniacza operacyjnego odwracającego, napięcie diody Zenera +V_REF jest przyłożone do rezystora R1. Jeśli R2 jest dokładnie równe R1, to identyczne napięcie V_REF pojawi się również na rezystorze R2, ale ze znakiem odwróconym względem masy. Ponieważ napięcie na rezystorze R2 jest takie samo jak napięcie na diodzie Zenera, możemy w praktyce zastąpić rezystor R2 diodą w pętli sprzężenia zwrotnego, tak jak na rysunku 1b, i nadal wytwarzać to samo napięcie –V_REF. RZ po prostu ustala prąd polaryzacji diody Zenera, podobnie jak RZ na rysunku 1a. Na rysunku 1b prąd IZ jest równy V_DD/RZ, podczas gdy na rysunku 1a prąd IZ jest równy (V_DD–+V_REF)/RZ. Aby uzyskać ten sam prąd IZ w obu przypadkach, wystarczy zmienić rezystancję RZ. Kondensator C1 odsprzęga diodę odniesienia między jej końcówką uziemienia a końcówką wyjściową. Ponadto, do +V_DD i –V_SS bardzo blisko wzmacniacza operacyjnego często są dołączane (niepokazane na rysunku 1) kondensatory odsprzęgające zasilanie o pojemności 0,1 μF o niskiej indukcyjności.

Opis układu

Teoretycznie, rozpatrywany tu układ można zbudować używając niemal dowolnego układu napięcia referencyjnego z trzema wyprowadzeniami oraz niskoszumnego wzmacniacza operacyjnego o niewielkim offsecie napięciowym. Do zbudowania źródła ujemnego napięcia referencyjnego typu band-gap potrzebowalibyśmy wysokiej jakości tranzystorów PNP, ale elementy takie powszechnie dostępne w układach scalonych nie są tak wysokiej jakości jak tranzystory NPN. Rozwiązania oparte na tranzystorach NPN wykorzystujące efekt band-gap (przerwy energetycznej krzemu) posłużą jako kilka przykładów, z których możemy skorzystać przy budowaniu ujemnego napięcia odniesienia w tej konfiguracji. W pierwszej iteracji układu niniejszego ćwiczenia laboratoryjnego jako element odniesienia będzie zastosowana dioda, w kolejnych iteracjach zastąpią ją układy dwukońcówkowe (równoległe) i trójkońcówkowe (szeregowe) oparte na tranzystorach NPN.

Materiały

• Uniwersalny zestaw pomiarowy ADALM2000
• Stykowa płytka prototypowa bez lutowania wraz z zestawem przewodów połączeniowych
• Rezystor 4,7 kΩ – 1 szt.
• Rezystor 1,5 kΩ – 2 szt.
• Rezystor 20 kΩ – 2 szt.
• Rezystor 2,2 kΩ – 1 szt.
• Rezystor 100 Ω – 1 szt.
• Potencjometr 10 kΩ – 1 szt.
• Tranzystor małosygnałowy NPN (2N3904 i SSM2212) – 4 szt.
• Dioda LED (dowolnego koloru) – 2 szt.
• Poczwórny wzmacniacz operacyjny OP482 lub OP484 – 1 szt.
• Kondensator 1 nF – 1 szt.
• Kondensator 0,01 μF – 2 szt.
• Kondensator 0,1 μF (kondensatory odsprzęgające dla napięć zasilania +5 V i –5 V) – 2 szt.

Krok 1

Dioda Zenera (1N4735) dostarczona w zestawie elementów analogowych ADALP2000 ma napięcie znamionowe 6,1 V. Napięcie przebicia wstecznego wynoszące 6,1 V jest zdecydowanie zbyt wysokie, aby zbudować nasz układ przy użyciu dostępnych w zestawie ADALM2000 źródeł zasilania ±5 V. Napięcie przewodzenia diody LED mieści się w zakresie od 1,6 V do 2,0 V, w zależności od koloru diody. Chociaż nie jest to właściwa dioda odniesienia, możemy ją w celach instruktażowych zastosować w układzie, wybierając diody LED z zestawu elementów analogowych ADALP2000 (Analog Parts Kit).

Zbuduj na płytce prototypowej obie wersje układów przedstawionych na rysunku 1a i 1b, tak jak pokazano na rysunku 2. Należy użyć dwóch diod LED, najlepiej tego samego koloru. Zielone diody LED charakteryzują się wyższym napięciem przewodzenia niż czerwone lub żółte. Chcemy, aby prąd diody ID wynosił około 1 mA. Prąd ID powinien być zbliżony do tej samej wartości w obu wersjach układu (patrz rysunki 1a i 1b). W przypadku „a” prąd ID wyniesie (+5V–V_D)/R3. W przypadku „b” prąd ID wyniesie +5V/R4, więc rezystor o wartości 4,7 kΩ zapewniłby prąd około 1 mA. Jeśli jako przybliżoną wartość VD przyjmiemy 2 V, wówczas R3 wyniesie około 3 kΩ. Rezystor 3 kΩ można uzyskać, łącząc szeregowo dwa rezystory 1,5 kΩ z zestawu elementów. Ponadto, w przypadku „a” musimy dobrać wartości R1 i R2. Chcemy, aby prąd płynący przez R1 był znacznie mniejszy niż prąd płynący przez R3. Zatem ustawienie R1 i R2 na znacznie wyższą wartość, np. 20 kΩ, powinno ten warunek spełnić.

Rysunek 2. Dwie metody generowania napięcia –VREF: a) podejście standardowe z zastosowaniem dwóch dopasowanych rezystorów (R1 i R2) oraz b) podejście o wyższej dokładności bez rezystorów — z zastosowaniem diody LED zamiast diody Zenera przedstawione na rysunkach 1a i 1b

Konfiguracja sprzętowa

W programie Scopy należy otworzyć okno sterowania zasilaczem napięciowym oraz okno woltomierza. Jeśli jest dostępny, multimetr cyfrowy (DMM) może okazać się przydatny do dokładniejszego pomiaru napięć stałych w układzie niż woltomierz oprogramowania Scopy. Połączenia na płytce prototypowej przedstawiono na rysunku 3.

Procedura

Włącz oba zasilacze (napięcia ujemnego i dodatniego). Obserwuj dwa napięcia na –V_REF, nóżki 8 i 14 wzmacniacza operacyjnego oraz na +V_REF na diodzie LED.

Rysunek 3. Połączenia na płytce prototypowej dla stabilizatora napięcia opartego na diodzie LED

Rysunek 4. Przykład odczytu napięcia na woltomierzu Scopy

Krok 2

Zmodyfikuj konfigurację płytki prototypowej z kroku 1 zgodnie z rysunkiem 5. Przed wprowadzeniem jakichkolwiek zmian na płytce prototypowej należy wyłączyć zasilacze. Zastąp diodę LED stopniem stabilizatora równoległego (shunt regulator). Rezystory R1 i R2 oraz tranzystor Q1 są połączone jako wzmacniacz zero-gain. Rezystor R3 i tranzystor Q2 są dodane tak, jak w stabilizowanym źródle prądowym. Jeśli stosowana jest dopasowana para tranzystorów NPN typu SSM2212, należy ją użyć dla elementów Q1 i Q2. Tranzystor Q3 jest dodany jako wtórnik emiterowy, jego baza jest połączona z kolektorem Q2, a kolektor z węzłem łączącym rezystory R1, R3 i R4.

Rysunek 5. Przykład źródła napięcia referencyjnego typu band-gap z bocznikiem NPN

Konfiguracja sprzętowa

Konfiguracja jest taka sama jak w kroku 1. Połączenia na płytce prototypowej przedstawiono na rysunku 6.

Procedura

Włącz zarówno dodatnie, jak i ujemne źródła zasilania. Sprawdź napięcie –V_REF na nóżce 14 wzmacniacza operacyjnego oraz na stabilizatorze równoległym band-gap (kolektor i emiter tranzystora Q3). Napięcie odniesienia możesz wyregulować potencjometrem R3 tak, aby wynosiło –1,25 V.

Testowanie rezerwy napięcia zasilania

W celu sprawdzenia wymagania dotyczącego rezerwy napięcia dla +V_DD, należy odłączyć zasilacz napięcia dodatniego od +V_DD oraz usunąć wszelkie kondensatory odsprzęgające zasilanie. Przed wprowadzeniem jakichkolwiek zmian lub uzupełnień na płytce prototypowej należy koniecznie wyłączyć zasilacze. Teraz podłącz +V_DD do AWG 1. Ustaw AWG 1 na przebieg trapezowy o częstotliwości 100 Hz. Ustaw amplitudę na 5 V_pp z offsetem 2,5 V, co pozwoli uzyskać zakres od 0 V do +5 V. Do wyjścia AWG1 dołącz kanał 1 oscyloskopu, a kanał 2 do –V_REF pierwszego przykładowego układu na nóżce 14 OP482. Użyj oscyloskopu w trybie XY podłączając go tak, aby kanał 1 odpowiadał osi X, a kanał 2 odpowiadał osi Y. Uruchom AWG 1 i włącz zasilacz napięcia ujemnego 5 V. Zarejestruj minimalne napięcie +V_DD, przy którym –V_REF zaczyna utrzymywać stałą wartość –1,25 V.

Aby sprawdzić wymagania dotyczące rezerwy napięcia dla –V_SS, podłącz ponownie +V_DD do zasilacza napięcia dodatniego. Odłącz zasilacz napięcia ujemnego od –V_SS i usuń wszelkie kondensatory odsprzęgające zasilanie. Teraz podłącz –V_SS do generatora AWG 1. Ustaw amplitudę na 5 V_pp z offsetem –2,5 V, co daje zakres od 0 do –5 V. Uruchom generator AWG 1 i włącz zasilacz napięcia dodatniego 5 V. Powtórz pomiary na nóżce 14 układu OP482, rejestrując najniższą wartość –V_SS, przy której napięcie odniesienia pozostaje stałe.

Rysunek 6. Połączenia na płytce prototypowej dla trójkońcówkowego źródła napięcia referencyjnego typu band-gap z tranzystorem NPN

Krok 3

Zmodyfikuj układ na płytce prototypowej z kroku 1 zgodnie z rysunkiem 7. Przed wprowadzeniem jakichkolwiek zmian na płytce prototypowej koniecznie wyłącz zasilacze. Zastąp dwukońcówkowe źródło typu shunt, użyte w kroku 2, źródłem trójkońcówkowym, dodając stopień wtórnika emiterowego na tranzystorze Q4 oraz kondensator kompensacyjny C1.

Rysunek 7. Przykład trójkońcówkowego źródła napięcia referencyjnego band-gap z tranzystorem NPN

Konfiguracja sprzętowa

Konfiguracja jest taka sama jak w kroku 1. Połączenia na płytce prototypowej przedstawiono na rysunku 7.

Procedura

Włącz zasilacz napięcia dodatniego i ujemnego. Obserwuj napięcie na –V_REF na nóżce 14 wzmacniacza operacyjnego oraz na źródle trójkońcówkowym typu band-gap (między emiterem Q4 a emiterem Q3).

Rysunek 8. Połączenia na płytce stykowej dla trójkońcówkowego źródła napięcia odniesienia typu band-gap z tranzystorem NPN

Pytanie:

Co stanie się z wartością wyjściowego napięcia odniesienia w układach przedstawionych na rysunku 2, jeśli zielone diody LED zostaną zastąpione diodami czerwonymi lub żółtymi?

Odpowiedź można znaleźć na blogu StudentZone.

Autorzy: Dough Mercer i Antoniu Miclaus

Opracowanie: Jarosław Doliński