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將精密電位計回收成有用的電壓源
( 9 月 1 日 2007 年)
Mark Thoren, Linear Technology, Milpitas, CA

類比或混合信號實驗室中不能有太多的電壓源。 簡單的高精度電壓源可在一個運算放大電路中設定偏置點（bias point），能透過一個大電阻調整電源的反饋節點，或對 ADC執行一個快速的線性測試。 工程師經常使用一種直流電源，這是他們只能找到的唯一電源。許多實驗室中缺乏真正的電壓校正源（voltage-calibration source）。 這篇設計實例描述了一種電路，它將舊的精密電位器回收回來成為實驗室分壓箱中的設備。這種電位器有直接讀取刻度的能力。
在圖 1中的電路中有幾種類型的電位計， 標準 10 匝電位計通常有 0.1% 的線性度，對常見的調整效果很好。 但有50年歷史的 Kelvin-Varley、 總阻抗100 kΩ 或更低的分壓器可達到10-ppm 的精度。 如果電壓源有跡象表明其輸出是正確的，會很實用。 數位式面板儀錶是一種實現此目標的方法。 然而，即使 0.1% 精度的電位計也比這些儀錶精度高。 所以要表明輸出是正確的，只需要知道電源是否打開，電源電壓是否夠大，輸出放大器是否正常工作而並未發出或汲入太多的電流或振盪。
一顆單一的紅綠藍 LED 可提供所有的三種指示。 綠色 LED 在電源開啟的低工作週期（low duty cycle）時閃動，在電池電壓太低保持點亮。 當輸出違反規定時，紅色 LED 點亮，IC4B 為一低工作週期的鬆弛 振盪器（relaxation oscillator），能以 0.5 Hz 的脈衝驅動綠色 LED，時間為 5 msec。 當汲入過多的電時，藍色 LED 點亮。 如果輸出開始振盪，LED 變成紫色。
IC4A 將正極電池電壓拿來與精確的 10V 參考輸出比較，當正極電池電壓降到低於11.5V時，持續地點亮綠色LED。 這一級別電壓是參考電壓的電壓降，這就是應荍騚姘q池了。 正極電源的負載大於負極電源上的負載，所以這些單元將先耗盡。 而且，由於負極電源只由兩個單元構成，電池的浪費最小。 另外，也可將負極單元移到正向一端，以便將最後的能量都利用到。
該參考是IC1，它是一顆具有一新增調整電路的LT1236-10。 LT1236 不受時間和溫度影響，總是保持靜態穩定的狀態。 其輸出可驅動精密電位計的上部或 Kelvin-Varley 分壓器（Kelvin-Varley divider）。 電路的輸出經過調整到10V，此時電位計或分壓器在最大值。 LT1881 放大器的兩部分IC2A 和 IC2B 可以對電位計或分壓器的輸出進行緩衝。 兩個緩衝器所結合的偏置電流（combined bias current）最大為 400 pA，這導致了100-kΩ 電位計在中間刻度時產生 10 µV 的輸出電壓。 另外，還要確保適當地監測非反相輸入，以防止漏電電流。 50µV 的最大偏置和 130-dB 的共模拒斥比（common-mode-rejection ratio ，CMRR）將整體的精度控制在 10 ppm 的10V 總範圍內。
LT1881 的一半為分壓箱的電壓輸出。 另一半用於驅動兩個輸入進入IC5 ，IC5是一顆LT1017 雙路比較器，它的每一比較器有一15 nA的輸入偏置電流。 Q1 到Q6 構成了一個100µV 電流汲入和電流源（source），分別各自參考到負極電源和正極電源。調整 R1 和R2 來設置輸出電壓視窗，該電壓與 IC2A 的輸出相比較，此電壓為正確輸出電壓的複製。 如果 IC2B 提供或汲入太多電流，一個比較器將會觸發，從而導通各個 LED。 如果輸出開始振盪，兩個 LED 都會點亮。 視窗可在 0 到 ±9.3 mV 間調節，±1 mV 是一個適當的起始位置。
如果需要比LT1881 所能保證的 5 mA 大得多的電流，可以加入一個 LT1010 緩衝器來提供 “turbo-boost” 功能，將輸出電流提高到 ±150 mA ，並將驅動電容負載的能力大幅提高。通常要關閉此一緩衝器的功能，因為它從電源汲入10 mA 以上的電流。 開關S3 可以有反相極性（reverse polarity）。如果使用中央關閉（center-off）開關，可以斷開輸出。 S1 為電源開關，而當絕緣的問題很重要時，也可以選擇採用外部電源或電池供電。


插圖說明文字

圖 1
可以將舊的10-turn 電位計回收回來當作精密的分壓箱。 LED 提供了可視的指示，說明輸出電壓處於可控狀態。


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Figure 1
 
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