基准电压源是模拟电路中的关键组成部分，为系统提供一个稳定、精确的参考电压。在许多应用场景中，不仅需要正基准电压，还需要负基准电压。本实验旨在通过ADALM2000主动学习模块，结合齐纳二极管，构建一个简单而有效的负基准电压源电路，并深入分析其工作原理与性能。
一、实验目的
1. 理解齐纳二极管的反向击穿特性及其在稳压电路中的应用。
2. 掌握利用齐纳二极管和运算放大器构建负基准电压源的电路设计方法。
3. 学习使用ADALM2000的信号发生器、示波器及电源模块进行电路搭建与测试。
4. 测量并分析所生成负基准电压的稳定性、精度和温度特性。
二、实验原理
齐纳二极管是一种特殊的二极管，工作在反向击穿区时，其两端电压（齐纳电压，Vz）能在较宽的电流范围内保持相对稳定。这一特性使其非常适合用作基准电压源。
要生成一个负基准电压，核心思想是利用齐纳二极管建立一个稳定的正电压参考点，然后通过运算放大器电路将其转换为一个稳定的、低输出阻抗的负电压。一个典型的电路配置如下：
- 基准建立：一个限流电阻（R1）与齐纳二极管（Dz）串联，接入正电源（如+5V）。在齐纳二极管阴极（连接电阻端）产生一个稳定的电压，值为Vz（相对于地）。
- 电压反转与缓冲：将此正电压Vz接入一个反相比例运算放大器电路。该放大器的反相输入端通过电阻R2连接到Vz，同相输入端接地。反馈电阻R3连接在输出端与反相输入端之间。当R2 = R3时，电路构成单位增益反相器，输出电压 Vout = -Vz。运算放大器起到了电压反转和缓冲的作用，提供了低输出阻抗，使得负基准电压能够驱动一定的负载。
三、实验器材与软件
- ADALM2000主动学习模块
- 电脑，安装Scopy软件
- 面包板
- 运算放大器（如OP27或AD8541）
- 齐纳二极管（例如，Vz=2.5V， 3.3V， 5.1V等）
- 电阻若干（如1kΩ， 根据电源电压和齐纳二极管电流计算限流电阻R1）
- 跳线
四、实验步骤
1. 电路搭建：
- 使用ADALM2000的固定+5V电源输出（或可调电源）作为电路主电源（VCC）。
- 在面包板上，按原理图连接电路。确保齐纳二极管反向偏置（阴极接高电位）。
- 将运算放大器的正负电源引脚分别连接到ADALM2000的+5V和-5V（或-3V）输出。
- 将电路的最终输出端（运放输出）连接到ADALM2000示波器的一个通道（如CH1），用于测量电压。
- 将齐纳二极管两端的电压连接到另一个示波器通道（如CH2），用于监控基准电压的稳定性。
- 软件配置与初始测量：
- 打开Scopy软件，启用示波器功能。设置两个通道的垂直刻度（如1V/div）和水平时基（如1ms/div）。
- 开启+5V和-5V（或所需负压）电源输出。
- 观察并记录无负载时（输出开路）的负基准电压值（Vout），与理论值（-Vz）进行比较。
- 负载特性测试：
- 在输出端接入一个可变电阻作为负载（例如，从10kΩ逐渐减小）。
- 观察并记录输出电压随负载电阻变化的曲线。计算电路的输出阻抗（ΔVout / ΔIload）。
- 评估运放作为缓冲器维持电压稳定的能力。
- 电源抑制比（PSRR）测试：
- 使用ADALM2000的信号发生器，在VCC电源线上叠加一个小幅度的交流信号（如100Hz， 100mVpp）。
- 使用示波器观察输出电压的交流分量变化。计算PSRR（20*log(输入纹波/输出纹波)）。
- 温度影响观察（可选）：
- 用手轻轻触摸齐纳二极管（注意安全），观察输出电压的瞬时漂移，理解温度对基准电压稳定性的影响。
五、实验结果与分析
- 精度：测得的负基准电压Vout应接近-Vz，误差主要来源于齐纳二极管的初始容差、运放的输入失调电压以及电阻的精度。
- 稳定性：在负载变化时，一个设计良好的缓冲电路应能保持输出电压基本不变。输出阻抗越小，负载调整率越好。
- 噪声与纹波：齐纳二极管本身会引入一定的噪声，电路对电源噪声的抑制能力取决于运放的PSRR和电路设计。
- 局限性：基于齐纳二极管的基准源，其精度和温度稳定性通常不如专用的基准电压芯片（如REF19xx， LTZ1000等）。其输出电压由二极管物理特性决定，可选择性有限，且受温度影响较大。
六、实验
通过本次ADALM2000实验，我们成功构建并测试了一个基于齐纳二极管的负基准电压源。实验直观地展示了齐纳二极管的稳压原理，以及运算放大器在电压转换和缓冲中的关键作用。此电路虽然简单，但涵盖了基准源的核心概念：稳定性、精度和驱动能力。实验也揭示了简单齐纳基准在温度系数和噪声方面的局限性，为后续学习更精密、更复杂的基准源设计（如带隙基准）奠定了基础。掌握这些基础知识，对于从事模拟电路、数据转换器（ADC/DAC）以及精密测量系统的设计至关重要。
