首先要澄清,这里所谓的负电压稳压并不是像电荷泵一样产生一个负电压,而是类似7905 的作用,稳压芯片的地和输入/输出电压反过来,GND 电压更高。如果GND 接电源正极,输出就是稳定的比电源低固定的电压,如果以电源正极为参考零电位,稳压器输出的是负电压。其实就和PNP 三极管的数据都是负的一样,如下图:
那么普通的1117 之类的LDO 反接一下是不是也可以反向稳压呢?可以试试看[狗头]
在很多地方7905 是和7805 对称组合使用的,类似下面这样:
如此一来后面的电路只要把它们的地连接到7805 和7905 中间的地引脚,就能获得正负双向的稳定电压,简单方便为运放提供双电源。
用稳压管可以代替稳压器实现相对电源负极的稳定电压,只是没那么稳定,输出能力也捉急,但是好处是同样的稳压管换个位置就可以实现负电压稳压:
毕竟稳压管的原理就是,当稳压管两端电压升高超过阈值的时候经过稳压管的电流会增加,串联个电阻就可以利用这个电流产生更大的压降,使稳压管两端的电压稳定。电阻可以放在前面,当然也能放在后面。
TL431 在电路图上长得和稳压管差不多,效果也类似,都是电压超过阈值时增加经过两端的电流。所以上面图里的稳压管可以直接换成TL431。
和真正的稳压二极管稍有不同,TL431 多了一个引脚,就是图里右边岔出去的那根。也没什么复杂的,这是TL431 的参考引脚,也可以说是电压检测引脚,当这个引脚相对于阳极的电压超过2.5V 时,经过TL431 的电流变大,然后就是和普通稳压管一样的原理。阳极就是一般拿来接地的那一端。
图里参考引脚和阴极接在一起,也就是接到+12V,那么只要TL431 另一端电压低于9.5V,它两端的电压就超过了2.5V,电流就变大,R15 上的电压上升,TL431 两端的电压又变小了。
这个电路用某宝上随便买的TL431 测试过,电源电压从2.5V 到30V,稳压值从-2.5V 变到-2.53V,算是够稳定了,只是下面的2k 电阻从中途就开始发出奇妙的气味[狗头]。
也可以像普通的TL431 电路一样使用分压电阻实现可调稳压,比如:
像前面说的,由于TL431 的稳压作用,检测引脚相对阳极的电压是2.5V,也就是R16 两端的电压是2.5V,那么经过R16 的电流就是:
I R = 2.5 R 16 I_R = \frac{2.5}{R_{16}} IR=R162.5
欧姆定律,任何时候都好用。忽略流入或者流出TL431 检测引脚的电流,因为非常小,那么经过R8 的电流就和R16 上的电流相同,R8 两端的电压就是:
V R 8 = I R ∗ R 8 V_{R_8} = I_R * R_8 VR8=IR∗R8
TL431 阴极对阳极的电压等于R8 的电压加上R16 的电压,所以结合上面两式,稳压值就等于:
V = 2.5 ⋅ R 8 R 16 + 2.5 V = 2.5 \cdot \frac{R_8}{R_{16}} + 2.5 V=2.5⋅R16R8+2.5
R8 和R16 按图里的取值,都是2k,那么结果就是:
V = 2.5 ⋅ R 8 R 16 + 2.5 = 2.5 × 1 + 2.5 = 5 V = 2.5 \cdot \frac{R_8}{R_{16}} + 2.5 = 2.5 \times 1 + 2.5 = 5 V=2.5⋅R16R8+2.5=2.5×1+2.5=5
以电源正极为参考时就是-5V。
顺便一说,上面计算中的假设是:因为流入或流出TL431 检测引脚的电流很小,所以可忽略。这个“很小”是相对于两个电阻上的电流来说的,如果两个分压电阻取值过大,经过它们的电流总量就很小,那TL431 分流的电流可能就不可忽略了,而这个电流和TL431 的内部特性有关,是不稳定的。
负电压稳压除了能给运放提供负电源,还有另一个重要的用处。比如说,如果手里的某个芯片最大输入电压只有5V,现在要用它测量最低9V,最高12V 的电压,电源电压也是12V,该怎么做?
最简单直觉的方法当然是首先用个LDO 给芯片降压供电,再用一个分压器,把9~12V 的输入信号降低到5V 以内,也就是图里这种感觉:
但是注意到信号的变化幅度只有3V,也就是说相对于+12V,信号的最小值是-3V,那么如果给芯片-5V 供电,信号范围就在芯片的承受范围内了,如下图:
这种电路多用于运放或者比较器测量差分信号的场合,被称为“浮地”。首先,一般运放或者比较器的工作电流很小,R15 上的电压起伏不会太大,哪怕经过一堆电阻也足够给芯片提供工作电流。其次,输入是差分信号,而接地电阻R15 上的干扰会同时附加到两个输入信号上。就是说如果R15 电压升高了,也就是芯片的地电位升高了,输入信号就相应的减少,但是两个信号之间的差值并不变,而这个差值才是芯片真正关注的东西。也就是说R15 引入的是共模干扰,在测量差分信号时更容易被过滤掉。
反之,如果像第一张图那样用分压器先处理信号,那么差分信号是两个信号源,就得有两套分压电路一边接一个,这样一来两套分压电路引入的干扰就独立的叠加到两个信号上,干扰的量和极性都是随机的,很难处理。