【正文】 能隙基準(zhǔn)源，在選定的溫度為 0T 后，只要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)電阻和飽和電流的比例，就可以使得在該溫 度下基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近為 0，這種基準(zhǔn)電壓的值接近于材料的能隙電壓 0gV ，所以稱其為帶隙基準(zhǔn)。集成電路 TL431 繼續(xù)發(fā)揮著它獨(dú)特的作用，它使用方便，可以用于線性穩(wěn)壓電源，它激勵(lì)型穩(wěn)壓電源，自激型穩(wěn)壓電源中。在集成塊內(nèi)部有一個(gè) ，通過(guò)兩只外接電阻，其穩(wěn)壓值可以在 至 36V之間連續(xù)可調(diào)，輸出的電流可以達(dá) 100mA。其中 V V V V11 構(gòu)成了放大電路； V V V V9 構(gòu)成了基本的穩(wěn)壓基準(zhǔn)； V V6 構(gòu)成鏡像電路，起直流移位的作用；兩個(gè)電容起穩(wěn)壓和補(bǔ)償?shù)淖饔?；二極管起保護(hù)電路的作用。 圖 鏡像電流源 由于 Q2 管對(duì) Q1 管具有溫度補(bǔ)償作用， 2CI 的 溫度穩(wěn)定性也較好，但是基準(zhǔn)電流受R VVR VVVIII EEccEEBEccR E FC ???????? )(20V C CQ 1Q 2RI c 1 I c 2 26 電源變化的影響較大，故要求電源十分的穩(wěn)定。當(dāng)用于共射放大器時(shí)，除了 Q1 的集電極連接于 輸出端而替代電源外，其與共集— 共射連接很是相似。顯而易見，這個(gè)深度負(fù)反饋必然會(huì)在參考點(diǎn)的電壓等于基準(zhǔn)電壓時(shí)處于穩(wěn)定，輸出電壓 RE Fo VRRV )1( 21?? ，當(dāng)選擇不同的 R 時(shí)，輸出電壓就會(huì)從 36V之間變化，圖中的 R3 為限流電阻。此電路適用于灌電流負(fù)載，電阻 R5 為晶體管和 TL431 提供偏置電流。 ??VRR )1( 21??R71kR61kV C CR81kU5T L4 31iViV0V?? 30 圖 電壓監(jiān)視器 圖 中的 TL431 用于電壓比較電路，它的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 REFV 是作為比較器的電壓，調(diào)節(jié)電位器 pR 可適用于不同的電壓電池組。 TL431 應(yīng)用所注意的事項(xiàng) 1. 首先，應(yīng)該注意電流的問(wèn)題：通常情況下，流過(guò) TL431 電路的最小電流至少應(yīng)該大于1mA，否則就會(huì)失去穩(wěn)壓的特性，最大的電流不宜超過(guò) 100mA，否則會(huì)毀壞 TL431。因此電路的輸入與輸出的波形跟蹤情況良好。 如下圖 所示，由于 TL431 的典型溫度系數(shù)為 50ppm/ C? ，因此輸出的恒流 溫度特性要比普通的鏡像恒流源或者恒流二極管好很多。因此，在直流電源中可以作為高精度、低溫漂的可調(diào)基準(zhǔn)電壓，也可以取代一般的串聯(lián)基準(zhǔn)穩(wěn)壓器作為開關(guān)穩(wěn)壓 器的基準(zhǔn)和誤差放大部分。三端的復(fù)合晶體管可用于代替單獨(dú)的共射、共集、共基組態(tài)的放大器。利用 PN 結(jié)的電流方程，可以得到： )ln(21320 cctc IIRVII ?? ， 其中 tV 是熱電壓，qkTVt ?。 TL431 有兩種封裝方式：一種為 T092 封裝，它的外型和小功率的塑封三極管一樣；另外一種為雙列直插 8 腳塑封結(jié)構(gòu)?？?以從電路的符號(hào)的畫法可知，其陰極與陽(yáng)極之間的輸出電壓是由參考極決定的。該芯片猶如上個(gè)世紀(jì) 70 年代生產(chǎn)設(shè)計(jì)的 555 芯片一樣，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，參數(shù)性能良好，性能穩(wěn)定可靠，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。 本章小結(jié) 本章內(nèi)容首先具體介紹了直接采用電阻和晶體管分壓的基準(zhǔn)電壓源，然后介紹了有源器件和電阻串聯(lián)所組成的基準(zhǔn)電壓源，接下來(lái)介紹了雙極型三管帶隙基準(zhǔn)源、雙極型二管帶隙基準(zhǔn)源。 有一種方法可以測(cè)試偏置電路這方面的性能，即通過(guò)測(cè)試電源電壓的細(xì)小變化而引起的偏置電流的細(xì)小變化。于此類推，在 0TT? 時(shí)斜率為負(fù)。因此，如果要使輸出電壓 outV 與溫度無(wú)關(guān)，那么需求輸出電壓 outV 對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)來(lái)找到使得溫度系數(shù) FTC 為 0 的 G， ? 和 M 的值。利用愛因斯 坦公式可得， nnquDKT? （ ） 可以將 sI 用 n? 和 2in 描述的表達(dá)式。穩(wěn)壓器的基準(zhǔn)電壓就是一個(gè)很好的范例。 對(duì)溫度不敏感的偏置 BEV 與熱電壓基準(zhǔn)源電路有很高的輸出電流溫度系數(shù)。由于溫度系數(shù)為 0的基準(zhǔn)電壓，其值接近材料的能隙電壓， 0gV 稱其為能隙基準(zhǔn)。 然而對(duì)于這種由齊納二極管組成的電壓基準(zhǔn)源，現(xiàn)在運(yùn)用的卻越來(lái)越少 ,盡管有其很多優(yōu)點(diǎn)，比如：輸入的電壓范圍很寬，精確度優(yōu)于 1%。如果是 PN ?? ? , TPTN VV ? ，那么它的輸出端基準(zhǔn)電壓 電源電壓非常敏感，它對(duì)溫度也非常敏感，因此對(duì)其應(yīng)用受到極大的限制。 8 2. 基準(zhǔn)電壓源電路和偏置的電流源電路 基準(zhǔn)源主要分為基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)電流源，而基準(zhǔn)電壓源的性能參數(shù)主要有溫度系數(shù)，功耗等。因?yàn)樗膬?yōu)勢(shì)在電源電壓，功耗，穩(wěn)定性中有很大的優(yōu)越性，因此已被廣泛應(yīng)用。在數(shù)?；旌系募呻娐分?，電路中可能存在對(duì)模擬電路信號(hào)產(chǎn)生干擾的現(xiàn)象，即是高頻的噪聲和數(shù)字電路產(chǎn)生噪聲地影響。 3）低功耗的基準(zhǔn)電壓源：低功耗一直是衡量電路性能好壞的指標(biāo)之一。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，深亞微米技術(shù)開創(chuàng)了一個(gè)新的天地，使得集成電路的電源電壓也越來(lái)越低。在上世紀(jì) 80 年代， MOS 工藝得到了迅 6 速地發(fā)展。 隨著電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步繁瑣性，在模擬電路基本模塊的應(yīng)用中，例如 A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器、濾波器及鎖相環(huán)等電路。 基準(zhǔn)電路分為電流基準(zhǔn)電路和電源基準(zhǔn)電路。然后詳細(xì) 介紹 基準(zhǔn)電壓源電路的基本結(jié)構(gòu)以及基本的原理，并對(duì)幾種不同的雙極型基準(zhǔn)電壓源電路做以簡(jiǎn)單的 介紹 。 1 摘 要 參考電壓源 電路 是 模擬集成電路及電氣電子設(shè)備的基本組成單元。 本文首先 介紹 了基準(zhǔn)電壓源的國(guó)內(nèi)外發(fā) 展現(xiàn)狀以及趨勢(shì)?；鶞?zhǔn)源是電子電路中不可或缺的一部分，因此性能優(yōu)良的基準(zhǔn)源是一切電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)最基本的和最關(guān)鍵的要求。為了能夠滿足高性能的電路對(duì)電壓基準(zhǔn)電路的要求，因此可以采用帶隙基準(zhǔn)的原理來(lái)得到。 雙極型工藝是集成電路最先發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)工藝，因此以雙極性型工藝制作出來(lái)的電壓或者電流基準(zhǔn)已經(jīng)達(dá)到了很高的性能和精度。 2） 低電壓工作的基準(zhǔn)電壓源： SOC(Signal Operation Control)主流工藝是 CMOS 工藝 ,目前， 5V()、 ()、 ()、 ()、 ()、()等基準(zhǔn)的電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。另外，采用反饋調(diào)節(jié)回路和調(diào)節(jié)電流的模式就可以得到低電壓的帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。電源抑制比性能參數(shù)成為了基準(zhǔn)源電路在高頻和 7 數(shù)?；旌想娐分械囊粋€(gè)重要衡量指標(biāo)。維德拉在 20世紀(jì) 70 年代初，首次提出了帶隙基準(zhǔn)電壓源的概念和基本設(shè)計(jì)理念。本文的主要內(nèi)容有： 1） 介紹基準(zhǔn)源電壓電路研究的基本 現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢(shì)以及本課題研究的目的意義； 2） 介紹 偏置電壓源和基準(zhǔn)電壓源電路的分類； 3） 介紹 TL431 的基本工作原理以及應(yīng)用電路； 4） 對(duì) TL431 集成電路的模擬仿真分析，并進(jìn)行參數(shù)等的優(yōu)化分析。 對(duì)于圖 （ b），根據(jù)題意有， （ ） 其中 , PoxPP LWC )(?? ? ， NoxNN LWC )(?? ? , PLW( 和 NLW )( 分別代表 PMOS 管的寬長(zhǎng)比， NMOS 的寬長(zhǎng)比。具體如圖 。 將式（ ）代入式（ ）中，并令其 0??? TVREF ， 可得： （ ） 實(shí)際上， 于是， （ ） BEVRRRIV ??? 32222BEBEREF VRRVV ??? 32212211lnln JJqkTAIAIqkTVEEEEBE ???21322132 lnln JJVRRVJJqkTRRVV tBEBER E F ????TTqnk TTTVTTVTV BEgoIcBE 0000 ln)()1()( ????? 常數(shù)21032 ln0 JJqkTRRVV R E FTTR E F ???,00 gVqnkT ??00 gTTREF VV ?? 13 通過(guò)以上分析，這說(shuō)明了在選定的參考溫度下，只要適 當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì) 32 RR 21 JJ 即可使得在該溫度下基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)接近為 0。由文獻(xiàn)可知， （ ） 式中的 0gV =，是溫度為 0K 時(shí)的硅的外推能隙電壓； n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關(guān)，對(duì)于集成電路中的雙型擴(kuò)散管， n=， To為參考溫度。然而，在實(shí)際的應(yīng)用時(shí)， 經(jīng)常要低的溫度系數(shù)的電壓偏置或者基準(zhǔn)電壓源。B 代表和溫度無(wú)關(guān)的獨(dú)立參數(shù)。 結(jié)合上面的式子 ,可以得到， （ ） 由上述的帶隙基本原理圖可知， （ ） 將式（ ）代入（ ）得， （ ） 由上式可知，給出了輸出電壓隨著溫度變化的電路參數(shù) G， ? ， M 和器件的參數(shù) E， ? 的函數(shù)關(guān)系式。 當(dāng) 0TT? 時(shí)，上式的對(duì)數(shù)項(xiàng)內(nèi)的自變量大于 1，因此此時(shí)對(duì)應(yīng)的曲線的斜率為正。例如，如果 VV onBE )( ? ，且這個(gè)鏡像電流源被用于了一個(gè)與 3~10V的電壓范圍內(nèi)的電壓源，這個(gè)電壓源有函數(shù)的運(yùn)算放大器，則偏置電流就會(huì)超出范圍的 1/4，而電壓源的功耗會(huì)超出 1/13。例如，如果 inI =1mA，AIout ?5? 且 2R = ?K ，由式（ ）得 （ ） 這樣，電源電壓每變化 10%就會(huì)導(dǎo)致輸出電流 outI 變化 %。 22 3. 高 精度可調(diào)式精密穩(wěn)壓集成電路 TL431 的工作原理與運(yùn)用 TL431 是美國(guó)的德州儀器公司開發(fā)的一個(gè)具有良好的熱穩(wěn)定性的三端可調(diào)精密穩(wěn)壓基準(zhǔn)集成電路，它的全稱為可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器或者又叫三端取樣集成電路。如下圖是 TL431 的電路符號(hào)，它的三個(gè)引出端分別為陽(yáng)極、陰極、參考極。有些電路圖中會(huì)用阿拉伯?dāng)?shù)字 3 分別代表 R、 A、 K。由于 BEV? 的數(shù)值小，利用阻值不大的 R3 就可以獲得微小的工作電流。由偏置因子控制 Q1 的發(fā)射極電流。 圖 達(dá)林頓組態(tài) TL431 的特點(diǎn)和參數(shù) I BI A SQ2Q1 27 TL431 的特點(diǎn) 1. 輸 出電壓最高可達(dá) 36V； 2. 動(dòng)態(tài)輸出阻抗低，典型值為 歐姆； 3. 陰極電流能力為 至 100mA； 4. 全溫度范圍內(nèi)溫度特性平坦，典型值為 50ppm/ C? ； 5. 噪聲輸出電壓低； 6. 快速開態(tài)響應(yīng)； 7. ESD 電壓為 2020V； 極限參數(shù) 1. 陰極至陽(yáng)極的電壓： VVKA 40? ； 2. 連續(xù)的陰極電流范圍： mAIK 150~100?? ； 3. 參考極輸入電流范圍： mAIREF 10~? ； 4. 工作結(jié)溫： ； 5. 工作范圍溫度： CTg ?? 70~0 ； TL431 的典型運(yùn)用電路 基準(zhǔn)電壓源電路 TL431 運(yùn)用了集成電路技術(shù)，它最大的特點(diǎn)莫過(guò)于輸出電壓可調(diào)。我們利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將 TL431 應(yīng)用在恒流電路中。由于 TL431 的動(dòng)態(tài)輸出阻抗很小。同理，由于 TL431 截 止，通過(guò) 2R 的電流減小，使兩端電壓小于 V1 的導(dǎo)通電壓而熄滅。當(dāng)電池正常工作的時(shí)候，那么電位器中點(diǎn)電位就會(huì)大于 TL431 的基準(zhǔn)電壓，從而 TL431 導(dǎo)通，陰極電流 kI 經(jīng)過(guò)電阻 2R 產(chǎn)生壓降，發(fā)光綠色二極管 V1 發(fā)光。但是此恒流源電路中沒有電流反饋環(huán)節(jié)，所以當(dāng)輸出電流因某個(gè)原因而產(chǎn)生變化時(shí)，并不能通過(guò)自身的調(diào)節(jié)作用使得輸出的電流近Qb re ak PQ1U4T L4 31R51kR41k 29 似不變，必須對(duì)此電路做出進(jìn)一步的改進(jìn)，在此不做闡述。特別情況下，當(dāng) R