зачем нужно отрицательное напряжение
Как получить отрицательное напряжение.
Оказалось, что когда речь заходит об отрицательном напряжении, первый вопрос, который возникает у людей: «Как такое может быть? Как напряжение может быть отрицательным?»
Поэтому хотел бы чуть подробнее остановиться на том, что такое отрицательное напряжение и где оно может пригодиться.
Давайте рассмотрим схемы, изображённые ниже.
Но что интересно,нельзя найти устройство, которое питается отрицательным напряжением, а услышать про отрицательное напряжение можно лишь, когда речь заходит о двухполярном питании. Ну вот только с одним, чуть разобрались и снова, какие-то умные слова. На самом деле ничего хитрого в двухполярном питании нет. Если для работы электронного компонента необходимо положительное и отрицательное напряжение(средняя схема на картинке выше), то говорят, что ему необходимо двухполярное питание.
В каком случае двухполярное питание может пригодиться? Рассмотрим простой пример, если на один из входов ОУ, питающегося положительным напряжением, подать отрицательное напряжение, то ничего не произойдёт, он просто не знает про существование отрицательного напряжения и сделать с ним ничего не может.
Прошло немного времени и стало понятно, что таскать две зарядки для одного устройства неудобно и хорошо было найти более простой способ получить отрицательное напряжение. Вариантов было два: первый — это собрать на рассыпухе источник отрицательного напряжения, второй — купить готовую микросхему, которая бы из положительного напряжения сделала отрицательное. Немного поискав в интернете, нашёл LM828, которая при подаче на вход положительного напряжения, на выходе выдавала такое же только отрицательной полярности. Идея использовать такую микросхему, показалась мне очень заманчивой поэтому сразу сделал заказ на али. Когда микросхема пришла, вытравил маленькую платку и монтировал её на основную плату и теперь для пользования устройством нужна только одна зарядка. Хотелось бы отметить, что номинал конденсаторов в обвязке микросхемы по даташиту равен 10uF, но при увеличении нагрузки микросхема начала пищать, поэтому увеличил их значение до 47uF.
Что такое отрицательное напряжение?
Почему некоторые устройства даже в этом нуждаются, что в этом особенного?
10 ответов
Теперь рассмотрим случай, когда у вас есть две батареи в серии. Если бы у обоих было 5 вольт, тогда вы сказали бы, что у вас будет всего 10 вольт.
Вот что я пытался объяснить:
Представьте, что вы измеряете высоту автомобиля. Вы можете взять рулетку и измерить расстояние от земли до крыши автомобиля. «Крыша этого автомобиля находится на высоте 4 фута над землей».
Вы также можете стоять на крыше автомобиля и болтаться с той же рулеткой на земле. «Земля находится на 4 фута ниже крыши этого автомобиля».
Сказать, что у вас есть напряжение + 5В в точке А, означает, что точка А на 5 вольт больше положительной, чем выбранная вами земля.
Знак только сообщает вам полярность напряжения относительно наземного узла.
Подумайте об этом в высоком здании. Чтобы перейти от 30-го этажа до пола 20, вы спускаетесь на 10 этажей.
Первая часть этого вопроса уже ответила очень хорошо.
Все это игнорирует проблемы заземления. В реальной жизни часто выход земли на снабжение буквально заземлен, и мысль о том, что вся Земля находится на +12 В, будет просто странной.
Переменное напряжение, такое как сетевое питание a.c, качается положительно и отрицательно относительно нейтральной линии, которая очень близка к потенциалу заземления, поэтому «нейтральная» считается нулевой.
Сила не генерируется электронами, блуждающими вокруг. Фактически, электрон может блуждать по всему месту без какого-либо напряжения. Энергия не может быть создана или уничтожена. Он приходит откуда-то, и он идет куда-то. Например, когда вы поворачиваете рукоятку генератора, вы на самом деле не генерируете мощность; вы просто передаете силу, которую растения поглощают от солнца, прежде чем вы ели и переваривали их. Вы должны продать такой генератор, как «питаемый термоядерным синтезом».
Русские Блоги
Отрицательное напряжение
Что такое отрицательное напряжение
Величина напряжения относительно выбранного эталона. Когда фактическое напряжение ниже, чем напряжение сравнения, значение напряжения является отрицательным. Другая ситуация: когда выбранное опорное напряжение направление иэлектрический токСсылочное направление, противоположное, опорное напряжение противоположно фактическое напряжение.
Отрицательное напряжение относительное. Сначала у нас есть ссылка. Например, текущее требование к напряжению составляет 4,0 В, поэтому более высокое напряжение равно 4,0, а более низкое напряжение является отрицательным. Сейчас естьСиловой модульТак вы можете выводить как положительные, так и отрицательные напряжения. Не сказать, какое напряжение- * действительно может быть выведено.
Принцип схемы генерации отрицательного напряжения
В электронных схемах нам часто нужно использовать отрицательное напряжение, например, нам часто нужно устанавливать для него отрицательное напряжение при использовании операционного усилителя. Ниже приведен простой пример его схемы от положительного 5 В до отрицательного 5 В.
Обычно, когда мне нужно использовать отрицательное напряжение, я обычно выбираю специальный чип для генерирования отрицательного напряжения, но эти чипы дороже, такие как ICL7600, LT1054 и т. Д. О, я почти забыл MC34063. Этот чип используется чаще всего. О схеме генерирования отрицательного напряжения 34063 я ничего не сказал в техническом описании. Пожалуйста, смотрите нас нижеСКМСуществует два вида схем генерирования отрицательного давления, обычно используемых в электронных схемах.
Многие однокристальные компьютеры теперь имеют ШИМ-выход. Когда мы используем однокристальные микрокомпьютеры, ШИМ часто не используется. Это хороший выбор, чтобы использовать его для создания отрицательного давления.
Вышеуказанная схема является простейшей схемой генерирования отрицательного напряжения. Оригиналы, которые он использует, являются наименьшими. Нам нужно только предоставить ему прямоугольную волну около 1 кГц, что довольно просто. Здесь следует отметить, что мощность генерации нагрузки этой цепи очень слабая, и падение напряжения после добавления нагрузки также относительно велико.
По указанным выше причинам была сгенерирована следующая схема:
Анализ отрицательной цепи генерации напряжения
Определение напряжения: напряжение (напряжение), также известное как разность потенциалов или разность потенциалов, представляет собой физическую величину, которая измеряет разность энергий, генерируемых единичным зарядом из-за разных потенциалов в электростатическом поле. Его величина равна работе, выполненной единичным положительным зарядом, перемещающимся из точки A в точку B. из-за силы электрического поля. Направление напряжения определяется как направление от высокого потенциала к низкому потенциалу.
Схема генерирования отрицательного напряжения:емкостьЗарядка эквивалентна новому источнику питания.После последовательного подключения конденсатора к GND, это эквивалентно источнику питания 2. Отрицательное напряжение генерируется.
1, зарядка конденсатора
2, конденсатор С1 полностью заряжен
3. Конденсатор С1 используется в качестве источника питания, а высокий потенциал С1 соединен последовательно в контрольной точке. C1 разряжается и продолжает течь из C2, генерируя отрицательное напряжение.
Решение для создания отрицательного напряжения (-5 В)
7660 и MAX232 имеют ограниченные возможности вывода.осциллографПриобретение высокоскоростных операционных усилителей очень трудоемко, поэтому Вей Кун также должен использовать 4 штуки параллельно, чтобы увеличить ток.
Первая версия 7660 двух штук, соединенных параллельно.
Ordinary использовать обычныйDC/DCМикросхема может генерировать отрицательное напряжение, а точность напряжения такая же, как и положительное напряжение, и способность вождения очень сильная, которая может достигать более 300 мА.
Конструкция всего осциллографаЦифровая мощность+ 5 В и + 5 В аналогового источника питания питаются отдельно, но как обращаться с цифровым заземлением и аналоговым заземлением?
Цифровое заземление и аналоговое заземление должны быть соединены вместе, иначе цепь не будет работать.
Цифровая часть не может вернуться ток течет через аналоговую часть, два должно быть соединены вместе в стабильном опорной точке.
Of Значение отрицательного напряжения
4. У этого есть китайские особенности и саморазрушающаяся цепь. Вообще говоря внутри чипаСхема защитыОтрицательное напряжение не защищено, поэтому, если ток немного больше, напряжение не нужно подавать на микросхему с высоким отрицательным напряжением, и микросхема может быть успешно разрушена.
Крохотные генераторы подкачки заряда в процессоре 8086, создающие отрицательное напряжение
Увеличенное фото чипа 8086; видно кремниевый кристалл и проволочную разварку
Революционный микропроцессор Intel 8086, представленный в 1978 году, породил целую группу процессоров х86, которые и по сей день используются в настольных и серверных компьютерах. Чип построен на цифровых цепях, однако в нём присутствуют и аналоговые контуры: генераторы подкачки заряда, превращающие питание процессора 5 В в отрицательное напряжение для увеличения быстродействия. Я занимаюсь реверс-инжинирингом 8086 на основе фоток кристалла, и в данной записи описываю конструкцию этих генераторов подкачки заряда и принцип их работы.
Строго говоря, конечно, весь чип создан из аналоговых компонентов. Как гласит старая поговорка, «цифровые компьютеры делаются из аналоговых комплектующих». Её автор – инженер DEC Дон Вонада, и его афоризмы были опубликованы в журнале Computer Engineering в 1978 году.
Инженерные афоризмы Вонады
Фото кристалла микропроцессора 8086. Слева расположено АЛУ и регистры. Внизу справа – ПЗУ с микрокодом. По ссылке с фото открывается фото побольше. По данной ссылке – оригинал фото (10 000 × 10 000 пкс, 24 МБ — не влезает на habrastorage).
На фото выше показан крохотный кристалл процессора 8086 под микроскопом. Виден металлический слой сверху чипа, под которым прячется кремний. По внешнему краю видны распаечные провода, соединяющие контактные площадки кристалла с 40 внешними контактами чипа. Но если присмотреться внимательно, видно, что у кристалла 42 площадки. Зачем ему две лишние?
Интегральная схема строится на кремниевой подложке, на которую наносятся транзисторы. Для высокоскоростных ИС полезно бывает подавать на подложку отрицательное «напряжение смещения». Для этого у многих чипов из 1970-х годов есть внешний контакт, на который подаётся – 5 В, однако использовать дополнительный источник питания инженерам было неудобно. К концу 1970-х были разработаны схемы генератора подкачки заряда прямо на чипе, что позволяло получать отрицательное напряжение на месте. Такие чипы используют удобное единственное питание + 5 В, и все инженеры счастливы.
У подачи отрицательного напряжения смещения есть несколько преимуществ. Оно уменьшает паразитную ёмкость, что ускоряет чип, делает пороговое напряжение транзисторов более предсказуемым и уменьшает утечки тока.
Чипы памяти от Intel пошли по похожему пути: 2116 DRAM (16 КБ, 1977) использовали три напряжения, а улучшенная 2118 (1979) всего одно. Точно так же знаменитый микропроцессор Intel 8080 (1974) использовал МОП-транзисторы с индуцированным каналом, и ему для работы требовались три напряжения. Микропроцессор Motorola 6800 (1974) использовал другой подход, работая с одним напряжением питания; хотя 6800 и был создан на транзисторе старого типа, ему не нужно было +12 В внешнего питания, так как он реализовывал удвоитель напряжения на месте.
Две лишние контактные площадки на кристалле 8086 нужны для подачи напряжения смещения на подложку. На фото в начале статьи показано расположение кремниевого кристалла на чипе, с распаечными проводами, соединяющими его с контактной площадкой, формирующим внешние контакты. На фото видно два небольших серых квадратика сверху и снизу. Каждый из них соединён с одной из «лишних» площадок. Генератор подкачки заряда на кристалле 8086 генерируют отрицательное напряжение, проходящее через провода распайки на эти квадратики, а потом через металлическую пластину под подложкой 8086.
Как работают генераторы подкачки заряда
На фото ниже выделены два генератора подкачки заряда процессора 8086. Мы рассмотрим верхний; схема работы нижнего такая же, он просто скомпонован по-другому, чтобы уместиться в доступное пространство. У каждого генератора есть цепь драйвера, большой конденсатор и площадка с проводом, соединяющим его с подложкой. Каждый генератор расположен рядом с одной из двух площадок заземления 8086 – вероятно, для минимизации электрического шума.
Фото кристалла микропроцессора 8086 с увеличенными генераторами напряжения смещения
Генератор подкачки заряда 8086 использует полевой транзистор с МОП-структурой и диоды для переключения конденсатора между состояниями, и генератор для управления транзистором – как показано на схеме ниже. Кольцевой генератор состоит из трёх инверторов, соединённых в петлю (кольцо). Поскольку количество инверторов нечётное, система нестабильна и колеблется. Если бы у неё было чётное количество инверторов, она была бы стабильной в одном из двух состояний. Такую технику используют в регистрах 8086 – пара инверторов хранит бит.
К примеру, если на первый инвертер приходит 0, он выдаст 1, второй выход будет 0, а третий – 1. Это переключает первый инвертер, и это переключение перемещается по петле, приводя к осцилляциям. Для замедления скорости осцилляции в кольцо вставлены две RC-цепи. Поскольку на зарядку и разрядку конденсатора уходит какое-то время, осцилляции замедляются, давая генератору подкачки заряда время сработать.
Я пытался измерить частоту генератора подкачки заряда, изучая ток чипа в поисках осцилляций. Я измерил флуктуации на 90 МГц, но, подозреваю, что на самом деле я мог мерить шум.
Схема генератора подкачки заряда в Intel 8086, дающего отрицательное напряжение смещения на подложке
Реализация в кремнии
На фото ниже показана реализация генератора подкачки заряда на чипе. На фото вверху видно металлические проводники, под которыми находится красноватый поликремний. Внизу – бежевый кремний. В центре видно основной конденсатор, с проводниками в виде буквы Н, соединяющими его с цепью слева. Часть конденсатора спрятана под широкой металлической дорожкой питания вверху. Справа распаечный провод подсоединён к площадке. Под площадкой расположен тестовый узор – по квадратику для каждой маски, использовавшейся для нанесения очередного слоя на чип.
Генератор подкачки заряда с металлическим слоем
После удаления металлического слоя становится лучше видно схему. Правую половину фото занимает крупный конденсатор подкачки заряда. Он, конечно, микроскопического размера, но по стандартам чипов огромен – примерно сравним с 16-битным регистром. Конденсатор состоит из поликремния, расположенного над кремнием, между которыми проложен изолирующий оксид. Поликремний и кремний формируют пластины конденсатора. Слева расположены конденсатор поменьше и резисторы, придающие генератору RC-задержку. Под ними находится цепь генератора и транзисторы.
Генератор собран из 13 транзисторов. Семь транзисторов формируют 3 инвертера (у одного транзистора есть дополнительный инвертер для дополнительного выходного тока). Из шести транзисторов драйвера два транзистора подтягивают выход вверх и четыре вниз. Схема странным образом отличается от обычной схемы инвертера, поскольку требования к току отличаются от обычной цифровой логики.
Ключевые компоненты генератора подкачки заряда 8086. Металлический слой удалён, видно слои поликремния и кремния.
Одна интересная особенность генератора подкачки заряда заключается в двух диодах, каждый из которых состоит из восьми транзисторов, расположенных через регулярные промежутки. На диаграмме ниже показана структура транзистора. Транзистор можно считать переключателем, позволяющим току протекать между двумя его участками, истоком и стоком. Транзистор контролируется затвором, сделанным из кремния особого типа, поликремния. Высокое напряжение на затворе позволяет току течь между истоком и стоком, а низкое – блокирует ток. Эти крохотные транзисторы можно комбинировать, формируя логические затворы – компоненты микропроцессора и других цифровых чипов. Однако в данном случае транзисторы используются как диоды.
Структура транзисторов, реализованных в ИС
На фото ниже показан вид сверху на транзистор в генераторе подкачки заряда. Как и на диаграмме, поликремний формирует затвор между участками кремния с добавками с обеих его сторон. Диод можно сделать из МОП-структуры, соединив затвор и сток через соединение кремний/поликремний, расположенное внизу фото. Кремний также можно соединять с металлическим слоем через сквозные контакты. Для этого фото металлический слой удалён, но оставшиеся бледные кружочки обозначают местонахождение сквозных контактов.
Транзистор в схеме генератора подкачки заряда. Поликремниевый затвор разделяет исток и сток транзистора.
На диаграмме ниже показано, как два диода собраны из 16 транзисторов. Для поддержки относительно большого тока генератора подкачки заряда в каждом диоде используется по 8 параллельных транзисторов. Отметьте, что у соседних транзисторов общие исток и сток, поэтому их получилось упаковать так плотно. Синие линии отмечают место, где были металлические провода – для этого фото их удалили. Тёмные кружочки – места, где были сквозные контакты между металлом и кремнием.
У генератора подкачки заряда есть два диода, каждый из которых сделан из 8 транзисторов. Исток, затвор и сток обозначены буквами S, G и D.
В итоге истоки верхних восьми транзисторов соединены с землёй металлическим проводом. Их затворы и стоки соединяются поликремнием под транзисторами, в результате чего из них получаются диоды. К конденсатору они подсоединены металлическим проводом. Восемь нижних транзисторов формируют второй диод. Их затворы и стоки соединены нижней металлической петлёй. Отметьте, как оптимизировано расположение элементов; к примеру, затворы изогнуты так, чтобы не касаться сквозных контактов.
Заключение
Генератор напряжения смещения на чипе 8086 представляет собой интересную комбинацию цифровой схемы (кольцевого генератора, составленного из инверторов) и аналогового генератора подкачки заряда. Он может показаться вам давно забытым устройством из истории компьютеров 1970-х, но на самом деле он присутствует и в современных ИС. В современных чипах это куда как более сложная схема, тщательно настроенная на выдачу нескольких регулируемых напряжений смещения на участках с отдельным питанием. В чём-то она похожа на архитектуру х86, начавшую свой путь в 1970-х и ставшую ещё более популярной сегодня, однако в рамках постоянного улучшения эффективности сложность её возросла невероятно.
Сегодня генераторы напряжения смещения продаются в качестве готовых патентованных идей – можно купить схему такого генератора и вставить в проект своего чипа (см. ссылки 1, 2, 3, 4, 5, 6). Существует даже стандарт на питание IEEE 1801, согласно которому инструменты разработки ИС могут генерировать необходимые схемы.
У математического сопроцессора Intel 8087, пристраиваемого к 8086, тоже есть свой генератор напряжения смещения. Он работает по тем же принципам, однако, как ни странно, использует другую схему с 5 инверторами
Как это работает? — Однополярное питание ОУ и отрицательное напряжение
Обратились недавно ко мне с вопросом. Есть схема с операционным усилителем. ОУ питается однополярным положительным напряжением. Но в схеме присутствует отрицательное напряжение, которое через резисторы подается на на вход ОУ. Вопрос: как и почему оно работает? Разве для работы с отрицательными напряжениями не надо ли питать операционник от двуполярного источника напряжения?
Давайте разбираться вместе.
Вот те самые схемы:
Судя по всему, схемы с РадиоКота, но сами статьи не нашел.
Первая — источник высокого отрицательного напряжения для питания ФЭУ, вторая — предварительный усилитель того самого ФЭУ.
Рассмотрим первую. Интересующий нас участок выглядит так:
Рис. 3. Упрощенная обвязка ОУ из рис. 1
Вопрос только вызывает то, что для срабатывания обратной связи операционник должен зафиксировать небольшой провал в отрицательную область, а как он это сделает, если он питается только положительным напряжением?
На это можно ответить коротко: Да ни как! Схема в данном виде является нерабочей, уж не знаю как оно заработало у автора, но у человека, который ее собирал, ни чего не получилось. Выйти из положения можно внеся небольшое изменение в конструкцию:
Рис. 4. Модернизированная схема №1
Положительный вход ОУ с помощью делителя R3-R4 мы немного «приподнимаем» над потенциалом земли. В этом случае операционник следит за провалом напряжения на отрицательным входе уже не ниже уровня земли, а ниже небольшого смещения, которое всегда больше нуля. В таком виде схема уже является жизнеспособной.
Данный прием как раз и реализован во второй схеме (рис. 2). Вот ее часть:
Рис. 5. Зарядочувствительный усилитель ФЭУ
Это так называемый зарядочувствительный усилитель, или инверсный интегратор тока. Вход Anode подключается к аноду ФЭУ, который является источником отрицательного тока (не напряжения. ). При регистрации кванта света, на выходе OUT получаем импульс напряжения положительной полярности.
Вот и все. Как видите, даже если схема работает с отрицательными напряжениями, в некоторых случаях совсем не обязательно операционные усилители в ней питать двуполярным напряжением.