【正文】 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。 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。 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。由于這些反饋的作用，共集 — 共射組態(tài)常用于集成小信號放大器中。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。 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。 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。 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。因?yàn)樗鼈兊目刂葡鄬θ菀?，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 。 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。 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。 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。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。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。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。 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。 n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關(guān)，對于集成電路的雙極型擴(kuò)散晶體管， n=~ 2； 0T 為參考溫度。它們還具有很寬范圍的功率，從幾個(gè)毫瓦到幾瓦。 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。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。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。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。然而，對于電源電壓低于 的電壓基準(zhǔn)必須要采用特殊的電路結(jié)構(gòu)。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。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。從電路技術(shù)上的方法上，有多個(gè)實(shí)現(xiàn)途徑。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會影響到整個(gè)電路系統(tǒng)的精度和性能。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。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。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。理想的基準(zhǔn)電路所提供的電壓或者電流是不隨其它任意條件的改變而變化。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 在模擬集成電路設(shè)計(jì)中，參考電壓源是一個(gè)應(yīng)用范圍十分廣泛的基本模塊。近些年來，國內(nèi)外的各種研究機(jī)構(gòu)對 CMOS 工藝所實(shí)現(xiàn)的電壓基準(zhǔn)源作了大量研究，發(fā)表了諸多具有重要意義的學(xué)術(shù)論文。如果采用特殊的電路結(jié)構(gòu)，帶隙基準(zhǔn)源就可以工作在 1V 左右。毫無疑問，低功耗電路可以延長電池的使用壽命。在直流頻率時(shí)的 PSRR(Power Supply Rjection Ratio，電源抑制比 )通常可以達(dá)到 100dB，在 1MHz 時(shí)的 PSRR 達(dá) 80dB。參考電壓源是一個(gè)具有精密電壓基準(zhǔn)電路系統(tǒng)等功能的模塊，或通過轉(zhuǎn)換到其他模塊的高精度電流基準(zhǔn)，為其它的模塊提供準(zhǔn)確，穩(wěn)定的偏置電路。一般要求這些電壓源的直流輸出電平比較穩(wěn)定，而且提供這個(gè)直流電平應(yīng)該對電源電壓和溫度不敏感。 圖 電阻與 MOS器件串聯(lián)組成的基準(zhǔn)電壓源 ( ) ( )1 ( )T N P N D D T PREF PNV V VV ?? ????? ?1REFDDV R E F R E F R E F D DV D D D D D D R E FV V V VS V V V V??? ? ?VREFVDDR10M1 10 圖 電阻與雙極型器件串聯(lián)組成的基準(zhǔn)電壓源 在圖 中，通過題意計(jì)算得出： () () 齊納二極管優(yōu)化工作在反偏擊穿區(qū)域，因?yàn)樗膿舸╇妷合鄬Ρ容^穩(wěn)定，因此，可 以通 由齊納二極管構(gòu)成的電壓型基準(zhǔn)源 ? ?12 D D R E FR E F G S TVVV V V R? ?? ? ?11 ()1 ( )REFDDV DDVR E F T R E FVS V V R V???? ??????VREFVDDR1D00VREFR10VDDQ1 11 過一定的反向電流來驅(qū)動產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)源。 雙極型三管能隙基準(zhǔn)源 下圖為雙極型三管能隙基準(zhǔn)源電路 : 圖 三管能隙基準(zhǔn)源 圖中的 T1， T2， R1， R2， R3 組成的恒流源，因?yàn)?NPN管的放大系數(shù)很大，因此基 極電流Ib 可以忽略。 雙極型二管能隙基準(zhǔn)源 以上的三管的能隙基準(zhǔn)源輸出是 0gV 整數(shù)倍的基準(zhǔn)電壓， 但是要求輸出電壓不是 0gV的整數(shù)倍時(shí)候，可用二管能隙基準(zhǔn)源，下圖為兩管的能隙基準(zhǔn)源電路圖： 圖 兩管能隙基準(zhǔn)源 其中 T T4 為 PNP 恒流源，作為 T T2 管集電極的有源負(fù)載，假設(shè)： （ ） 322111 BER E FBE VRIVVRI ????qkTnVRRqkTRRVV gBETTREF 0012320 ln0 ?????Q b rea k NT1R11kQ b rea k PT4Q b rea k NT2V C CR21kQ b rea k PT3qkTnVV goREF 0??pIIIIII EECCCC ??? 212143212121 IIIIJJEE ?? 14 由圖可知， （ ） 因此， （ ） 與上述分析的三管能隙基準(zhǔn)源相類似，令 0??? TVREF 可以得到： （ ） 因此，可以通過控制發(fā)射極的有效面積比： 21 EE AA 或者 43 EE AA 及電阻之比來獲得接近零溫度系數(shù)的基準(zhǔn)源。因此，必須要盡可能找出實(shí)現(xiàn)低溫度系數(shù)偏置電路的方法。為了簡單起見，我們在下面有關(guān)于帶隙基準(zhǔn)源的討論中，對象則是低溫度系數(shù)的電壓源。22 ???nn CT??? 17 （ ） 其中， 0gV 為溫度為 0K 時(shí)的硅的帶隙電壓。將方程式（ ）整理得， () )e x p ( 032 Tgi VVDTn ??)e xpln( 0)( TgrTonBE VVEITVV ??nr ??4?GTI?? ?)l n (ln)(0)( EGTVVV TgonBE ???? ??TonBEout MVVV ?? )()]l n ([ln)(0 EGMVTVVV TTgo u t ????? ??)(ln)()]l n([0 0 000 00 00 ???? ??????? ? TVTTVEGMTVdTdV TTTTTout)(ln)()]l n ([ 0 ???? ????? TEGM 18 如此，該等式給出了如果要達(dá)到溫度系數(shù)為 0 時(shí)的電路參數(shù) M， ? 和 G 的器件參數(shù) E 和? 的表達(dá)式。因此可以得到這樣一個(gè)結(jié)論：輸出電壓是加權(quán)的熱電壓和基極 — 發(fā)射極電壓的和。在描述電路中的變量 y 對于參數(shù) x 的敏感度，我們定義如下： （ ） 將式子（ ）應(yīng)用于計(jì)算輸出的電流對于電源電壓的敏感度，這種微小的變化可以得到， （ ） 輸入的電壓 supV 在雙極型的電路中，被稱作 ccV ，而在 MOS 電路中被稱作為 DDV 。 通過以上的介紹，了解到對于雙極型三管