分压器:操作和功能

关键的外卖

• 学习电压分压器的基础知识，包括电阻和电容

• 讨论了电压分压器发生的负载效应，这改变了它们的功能

• 分压器的典型用途和应用

分压器是非常有用的电子子电路，至少由两个无源元件串联而成。

分压器是电路设计中一个非常重要的方面，因为它们被用于许多应用。虽然它通常是工程师在基础电路课上学习的第一个概念之一，但这个电路块对于开发更高级的设计也是至关重要的。任何工程师或PCB设计师都必须对分压器及其负载特性有深刻的基本理解。让我们开始吧。

分压器基础知识

带两个电阻的分压器可用于各种应用

分压器，也称为电位分压器，是一种线性电路块，它产生的输出是其输入电压的一个分数(无论是实电压还是复电压)。给定一个特定的输入电压，它有助于在输出端创建一个已知的精确分数，这对于创建电压参考尤其有用。

然而，当你开始从分压器中抽取电流时，等效电阻就会改变，电压就会下降，这就是我们将要讨论的负载概念。

用电阻创建分压器

在其最基本的形式，分压器由两个无源元件组成，其中输出V_出从它们之间的节点中获取，如上图所示。

当使用电阻器时，电压下降V_出通过一个给定的电阻(R_一个例如)等于V_出= V_在* R_一个/ R_总计．换句话说，对于上图，R2上的电压降等于V_出因此是V_出= V_R2= V_在* R₂/ (R₁+ R₂）.

就像任何无源线性电路元件一样，分压器可以简化为等效的Thevenin电压和Thevenin电阻。这可以用作另一种方法来可视化分压器的行为，并更清楚地了解负载的影响。

非线性分压器

分压器可以由电阻、电容和电感混合而成。在这张图中，我们看到一个由电阻和电容组成的RC滤波器的分压器。

当在分压器中添加电容器或电感器时，其效果变得更加复杂。电容元件可以加到分压器上以补偿负载电容并获得所需的频率响应。

电容式分压器也常用于测量高压．电容分压器根据电容网络的电抗确定压降，因此，不作为直流分压器工作。毕竟，电容器阻塞直流，导致没有电流流动。电容分压器有多种应用-从触摸屏到科尔匹茨振荡器。

从电压源出来，将一个电阻和一个电容串联起来创建一个一阶低通RC滤波器(与电容和电阻形成对比，创建一个高通滤波器)。由于电容器具有复阻抗，其V_出到V_在现在将是复杂的，导致一个频率相关的输出。

电感器也有一个复杂的阻抗，因此也产生频率依赖的输出时，放在分压器的组件。

分压器与负载效应

当把一个电器连接到电路上时，电路就负载了。如果没有解释，这可能会极大地改变分压器的行为。

了解负载效应对于真正理解分压器至关重要。当连接相对低阻抗负载时，分压器有显著的电流从它们拉出，这打破了电阻分压器比。

这是因为前面讨论的电阻比不再是V_一个= V_在* R_一个/ R_总计而是V_一个= V_在*(右_一个| | R_负载) / r_总计'，其中R_总”值现在包括R_一个和R_负载在并联时，除任何其他串联电阻外，还应逆流而上。

因此，要使用分压器作为电压参考并实现稳定的输出电压，电流必须稳定，或者负载电流必须是通过分压器的总电流的一小部分。使用高阻抗负载(因此吸收更少的电流)可以提高负载灵敏度。降低分压器两半的阻抗是另一种替代解决方案，但这也会增加无源静止电流，导致更高的功耗和更多的热能产生。

如果您预见到您的负载需要高电流甚至波动电流，最好是使用电压调节器而不是分压器。

分压器的应用和用途

分压器更复杂的用法是在惠斯顿电桥中，两个分压器并联放置。当由这两个分压器组成的惠斯顿电桥的两个分支具有相同的电压(点b和d)时，“G”将有零电流流过它。

分压器有多种用途，从调整信号电平到偏置有源器件，如bjt和fet。当进入运放(包含高输入阻抗)或其他高阻抗负载时，分压器特别方便，因为它们提供了设置所需电压的非常简单的方法。

惠斯通电桥和万用表都有内置的分压器。BJT基极和FET栅极具有相对较高的输入阻抗，因此不会产生太多电流。使用分压器将基极/栅极固定在指定电压可以允许晶体管偏压．

传感器测量

使用分压器，微控制器可以测量传感器电阻。未知传感器电阻与已知电阻串联，形成分压器。然后，微控制器可以在分压器上施加已知电压，微控制器的ADC连接到传感器和电阻之间的中心节点。这种方法通常用来测量温度使用温度敏感电阻，如热敏电阻和电阻温度探测器(rtd)。

三输入电位器也可用作分压器。它们对收音机和其他带有模拟旋钮的设备很有用。当电位器的轴旋转时，中心龙头雨刷沿电阻器移动，并产生电阻的增加或减少，与轴的角度相对应。如果一个稳定的电压连接到电位器的一端，另一端接地，雨刮器连接到ADC，就可以计算出旋钮的角度。

高压测量

分压器可用来将一个特别高的电压缩小到一个分数，然后用电压表测量。高压是用来给V供电的_在分频器，输出按比例缩小到仪表范围内。有高压电阻分压器探头设计来测量一些电压高达数百千伏。

然而，在这些设计中，使用特定的高压电阻，因为它们必须能够处理具有匹配温度系数的高电压和电流，以提供准确的结果。电容分压器探头也用于数百毫伏的电压，因为电阻释放的热量有时可能太多。

信号电平漂移

分压器可以用来调整信号的电平，尤其是数字信号。例如，从普通的5V HIGH数字信号电平转换为3.3V数字信号。使用分压器，可以创建一个粗糙的电平移位器，使工作在5V的逻辑电路与工作在3.3V的逻辑电路相连接。如果没有这种电平移位，为3.3V逻辑微控制器提供5V的HIGH可能会导致电路永久损坏。使用电阻配置，使V_出/ V_在= 3.3 / 5 = r_一个/ R_总计可以允许5v逻辑电路与3.3V逻辑电路接口。然而，要做到这一点，5V信号的源阻抗应该低，3.3V输入阻抗必须高。此外，如果输入阻抗具有电容元素，使用完全电阻分压器将无意中创建RC滤波器，这可能会限制数据速率。增加一个电容与顶部电阻串联(使分压器的两条腿都具有电容性和电阻性)可以帮助克服这一问题。

集成电路中的分压器

(理想情况下)固定电压的采样:

由bjt制成的555定时器示意图。电压分压器以绿色突出显示。

许多常见的集成电路使用分压器。555定时器可能是有史以来最受欢迎的集成电路之一，它有一个分压器。上图是555定时器BJT版本的内部原理图。绿色突出显示的是带有三个相同电阻的分压器(双极定时器为5 kΩ， CMOS为100 kΩ或更高)，为比较器创建电压参考。当CONTROL引脚不被驱动时，分频器创建两个参考，分别是VCC的三分之一和三分之一。当CONTROL被驱动时，上面的引用改为V_控制和下面的参考V_控制/ 2。

电压分压器用于LM7805电压调节器的输出其他监管机构利用反馈．使用分压器，从串联通道元件中“采样”输出电压的一部分，然后输入误差放大器。然后将采样的分数电压与参考电压进行比较，然后误差放大器与通元件通信，相应地提高或降低输出电压，创建一个闭合的反馈回路。类似的概念用于其他电压调节器，如LM317和LM2576。

理解分压器并在设计中使用它们是一项宝贵的技能。Cadence的PCB设计和布局工具可以帮助开发原理图并在PCB中布局设计。