【正文】 會(huì)直接影響到 電路的性能穩(wěn)定。仿真分析的類型主要有直流工作點(diǎn)分析，交流分析，傅里葉分析，噪聲分析，噪聲系數(shù)分析，失真分析，直流掃描分析，靈敏度分析，參數(shù)掃描分析，溫度掃描分析等。本文的目的是基于雙極晶體管基準(zhǔn)源的 TL431 可調(diào)穩(wěn)壓器集成電路的仿真與分析。我們所說的參考電壓源，就是能夠提供高穩(wěn)定性的基準(zhǔn)電源的電路，它們之間的參考電壓和電源，工藝參數(shù)，溫度的變化關(guān)系是非常小的。 一個(gè)應(yīng)用廣泛的基本 電路 。如果沒有一個(gè)滿足要求的參考電路，它不就能正確和有效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的性能。其次對(duì)電路仿真軟件進(jìn)行 介紹 ，最后運(yùn)用電路仿真軟件 specture 對(duì) TL431 串聯(lián)集成穩(wěn)壓基準(zhǔn)電路進(jìn)行仿真并詳細(xì)分析其結(jié)果。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會(huì)影響到整個(gè)電路系統(tǒng)的精度和性能。無論是電壓基準(zhǔn)還是電流基準(zhǔn)都要BEBEBE VVVRI ???? 2132 以求輸出特性必須達(dá)到穩(wěn)定，包括較高的電源電壓抑制比、較低的溫度系數(shù)，以及良好的負(fù)載特性和工藝無關(guān)性。從電路技術(shù)上的方法上，有多個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑。其中，基準(zhǔn)電壓源是電壓穩(wěn)壓器中所必 備的一個(gè)電路單元，它是 DC— DC 轉(zhuǎn)換器中不可或缺的單元組成部分，在各種要求較高精確度的電壓表、歐姆表、電流表等儀器里都需要穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。該系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于內(nèi)部或外部的基準(zhǔn)精度。 90 年代以后， COMS 憑借它的低功耗、高集成度，較好的穩(wěn)定性等特性逐漸占領(lǐng)了數(shù)字電子產(chǎn)品市場。在設(shè)計(jì)低溫度系數(shù)的基準(zhǔn)電壓源時(shí)，一般必須進(jìn)行高階的溫度補(bǔ)償。因?yàn)閹痘鶞?zhǔn)電壓在 左右，所以一般的帶隙基準(zhǔn)源的工作電壓至少會(huì)在 以上。然而，對(duì)于電源電壓低于 的電壓基準(zhǔn)必須要采用特殊的電路結(jié)構(gòu)。作為集成電路的一個(gè)基本單元電路，低功耗也是基準(zhǔn)電壓源研究方向的一個(gè)重要方向。采用浮柵的 MOS 器件，也可以降低電路的功耗，但是這與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 工藝技術(shù)并不相兼容，成本比較高。 在混合電路中，電壓基準(zhǔn)源應(yīng)該在較寬的范圍內(nèi)具有良好的電源抑制比 特性，在有些設(shè)計(jì)中會(huì)使用運(yùn)放結(jié)構(gòu)的帶隙基準(zhǔn)技術(shù)。但是齊納二極管的擊穿電壓一般比所使用的電壓源電壓大，因此已過時(shí)，不再使用。現(xiàn)在有帶隙電壓基準(zhǔn) IC 已被廣泛使用在軍事裝備領(lǐng)域，通訊設(shè)備，汽車電子，工業(yè)自動(dòng)化控制和消費(fèi)電子產(chǎn)品。我們利用 TL431 的這一特性，可以在數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、電源保護(hù)和運(yùn)算放大等電路中，設(shè)計(jì)出很多的獨(dú)特電路。在集成電路內(nèi)部經(jīng)常需要高質(zhì)量的內(nèi)部穩(wěn)壓源，以提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準(zhǔn)電壓。 直接采用電阻和管分壓的基準(zhǔn)電壓源 如下圖的 基準(zhǔn)電壓源，它是最基本的也是最簡單的基準(zhǔn)電壓源。 有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準(zhǔn)電壓 源 通過對(duì)以上情況的分析，為了能夠設(shè)計(jì)出簡單的基準(zhǔn)電壓源，因此設(shè)計(jì)出了有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準(zhǔn)電壓源，如下圖所示。它們還具有很寬范圍的功率，從幾個(gè)毫瓦到幾瓦。但是缺點(diǎn)也非常的突出，如：靜態(tài)電流較大（ 1 到 10mA），它適合于對(duì)功耗要求不是很嚴(yán)格的應(yīng)用電路：其次精度低，電流只能流入，而且壓差大，噪聲大，輸出基準(zhǔn)電壓對(duì)電流和溫度的依賴性較大。 n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關(guān)，對(duì)于集成電路的雙極型擴(kuò)散晶體管， n=~ 2； 0T 為參考溫度。 假設(shè)兩個(gè)管子的幾何尺寸相同，晶體管的放大系數(shù)也較大，則 ，由圖可知， （ ） 因此，把 2211 RIRI ? 代入式（ ）得 （ ） 在工藝上， Vbe 的值和電阻的值容易控制，因此在此類電源的輸出基準(zhǔn)電壓可以調(diào)得較準(zhǔn)。 VBE的溫度特性 NPN 型的雙極型管子，基極與射極的電壓 BEV 可以表示為： （ ） 在這個(gè)式中， TV 是熱電壓，即qkTVT?， K是波爾茲曼常數(shù)， q為電子的電荷， Ic是集電極電流， Is 是晶體管的飽和電流，其與器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，它的表達(dá)式為： （ ） A為基極與射極的結(jié)面積， in 是硅的本證載流子濃度， nD 是基區(qū)的電子擴(kuò)散常數(shù)的平均有效值， BQ 是單位面積基區(qū)的總摻雜濃度。盡管在熱電壓的基準(zhǔn)電路中，溫度靈敏度已經(jīng)被顯著的減少了，但是它的溫度系數(shù)在很多的應(yīng)用場合還顯得不是足夠的低。如果選擇了某種適當(dāng)?shù)膹?fù)合方式，那么久可以使得輸出溫度系數(shù)為 0。溫度系數(shù)被用來在基準(zhǔn)電壓中可以補(bǔ)償產(chǎn)生輸出電流的電阻的溫度系數(shù)。通?；鶚O電流忽略不計(jì)，那么有 （ ） 其中，飽和電流 sI 與器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且滿足公式 （ ） 其中， in 是硅的內(nèi)部少數(shù)載流子濃度， BQ 是基極每單位面積的摻雜濃度， n? 是基極平均電子遷移率， A 是發(fā)射極的面積， T 代表溫度。式（ ）中和溫度有關(guān)的量滿足下列關(guān)系式： （ ） V TG a n a r a t a rTV t+ 0 . 0 8 7 m V / ℃M V ts u mNV tV b e ( o n )V o u t = V b e ( o n ) + M V tTV b e ( o n ) 1 . 5 m v / ℃IV D D帶 隙 基 準(zhǔn) 基 本 原 理 圖sTonBE IIVV ln)( ?niniB nis TnBDBnQ DqA nI ?239。綜合以上式子，可以得到： （ ） 其中的 E 是另外一個(gè)和溫度無關(guān)的參數(shù)，并且有 （ ） 因此，在實(shí)際的帶隙基準(zhǔn)源電路中，電流 I 并不是常量，而是隨著溫度的變化而變化。對(duì)于（ ）式，可以求導(dǎo)得， （ ） 其中， 0T 是當(dāng)輸出的溫度系數(shù) FTC 為 0 時(shí)的溫度， 0TV 是熱電壓 TV 在 0T 時(shí)刻 的值。 由式子（ ）可以得到，在溫度系數(shù) FTC 為 0 的溫度（ 0TT? ）下輸出電壓為， （ ） 例如，在 27 C? 下，假設(shè) ? =， ? =1，則輸出電壓為， （ ） 因?yàn)楣璧膸峨妷?0gV = , 所以有， （ ） 所以，零溫度系數(shù)時(shí)的輸出電壓和硅的帶隙電壓接近。當(dāng)溫度 T 在 0T 附近時(shí)，會(huì)有 （ ） 所以可以得到 （ ） 如上的 式（ ）和（ ）所示，輸出的溫度系數(shù)當(dāng)在 0TT? 時(shí)為 0。 因此，這種用帶隙基準(zhǔn)源電路來補(bǔ)償這種非線性被稱作為曲率補(bǔ)償。描述的輸出電流隨著電源電壓變化最有效的 參數(shù)就是 S（敏感度）。 接下來看看圖 的雙極型 Widlar 電流源，由圖 可知，輸出電流由下式?jīng)Q定， （ ） 詳細(xì)計(jì)算過程的 見后面文章有關(guān)于鏡像電流源的計(jì)算，這里不再細(xì)述。隨后分析了 BEV 的溫度特性，最后分析了對(duì)溫度和電源不敏感的偏置。因?yàn)樗鼈兊目刂葡鄬?duì)容易，所以只需要精確的修正一個(gè)電阻值（用 離子注入電阻改變注入劑量，或者用金屬膜電阻采用激光修正阻值的工藝）即可以精確控制基準(zhǔn)電壓 refV 。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電源技術(shù)在不斷的完善和提高。 精密穩(wěn)壓器 TL431 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) TL431 是由若干個(gè)電阻、雙極型晶體管、電容和二極管組成的。 TL431 在功能上相當(dāng)于一只低溫漂可變的穩(wěn)壓二極管。 TL431 的具體工作原理 TL431 有三個(gè)引出的腳，分別稱為陰極（ Cathode）、 陽極（ Anode）、參考極（ Ref），應(yīng)用中將這三個(gè)引腳分別用 K、 A、 R 表示。 陰極（ K） 參考極（ R） 陽極（ A） 圖 TL431 的電路符號(hào) 根據(jù) TL431 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知，它是由多級(jí)放大電路、偏置電路、補(bǔ)償電路、保護(hù)電路等組成。 基準(zhǔn)電壓源電路的介紹 基本的基準(zhǔn)電壓源電路如下圖所示： 圖 基準(zhǔn)電壓源電路 V C C V r e fR 1R 3R 2Q 1Q 2Q 3 I c 1I c 2I c 3KV+_R V r e f 2 . 5 VA 25 假如 Q Q Q3 三個(gè)管子的特性相同，那么2333 )( RRVVV RBEREF ??，根據(jù)題意得， Q1 和 Q3 的集電極電壓相同。 鏡像電路的介紹 如下圖所示，設(shè) Q1 和 Q2 的參數(shù)特性完全相同，即 21 ??? ， 21 CEOCEO II ? ，由于兩管具有相同的基極 — 射極間電壓，所以 2121 , CCEE IIII ?? ，當(dāng) BJT 的 ? 較大時(shí)，基極的電流BI 就可以忽略不計(jì)，因此 Q2 的集電極電流 2CI 近似等于基準(zhǔn)電流 REFI ，即： （ ） 由上式可以得到，當(dāng) R 確定之后， REFI 就可以確定了， 2CI 也隨之確定，常常將 2CI 看作是 REFI 的鏡像，所以稱下圖為鏡像電流源。它常用于功率放大器件和穩(wěn)壓電路中，通常的接法有四種： NPN+NPN、 NPN+PNP、 PNP+PNP和 PNP+NPN 等。當(dāng)用于射極跟隨器時(shí)，等價(jià)于共集 — 共集組態(tài)。由于這些反饋的作用，共集 — 共射組態(tài)常用于集成小信號(hào)放大器中。由 TL431 構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓溫漂較小，而且它的負(fù)載能力極強(qiáng)，且輸出電壓連續(xù)可調(diào)，大概是 36V，典型的電路圖如下： + + 0V 圖 基準(zhǔn)電壓源 U1T L4 31R21kR11kR31kiVCTj ?? 150~0 28 如果 R1 和 R2 的阻值是確定的，兩個(gè)電阻對(duì)電路的分壓引入了負(fù)反饋，若 Vo 增大，則 TL431 的分支電流就會(huì)增大，從而根據(jù)歐姆定律，輸出電壓 Vo 的值就會(huì)減小。 恒流源電路 根據(jù)前面的基準(zhǔn)電壓源電路的分析，器件作為分流的反饋后，參考點(diǎn)的電壓始終維持在 ，穩(wěn)定性非常好。 圖 恒流源應(yīng)用電路 此恒流源電路的恒流值只與 REFV 和外接電阻的阻值有關(guān)。 圖 電壓比較器 由電路圖可知，此電路的比較電壓為： （ ） 當(dāng) VRRVi )1( 21???時(shí)，那么 TL431 就導(dǎo)通，且 oV =2V。 電壓監(jiān)視器 電路 下圖所示的是利用 TL431 的參考端對(duì)輸入電壓的鑒別靈敏度高的特性，所構(gòu)成的一種電池電壓監(jiān)視電路。當(dāng)電池組電壓低于正常值時(shí)， pR 的中點(diǎn)電位低于 TL431 的基準(zhǔn)電壓并使其截止。