【導讀】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。我們所說的參考電壓源，就是能夠提供高穩(wěn)定性的基準電源的電路，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。和抗噪聲性能夠影響到整個電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)的精度在很大程度上取決于內(nèi)部或外部的。如果沒有一個滿足要求的參考電路，它不就能正確和有效的實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)定的。本文的目的是基于雙極晶體管基準源的TL431可調(diào)穩(wěn)壓器集成電路的仿真與分析。然后詳細介紹基準電壓源。其次對電路仿真軟件進行介紹，最后運用電路仿真軟件specture對TL431串聯(lián)集成。仿真分析的類型主要有直流工作點分析，交。較穩(wěn)定，而且這個直流電平對電源電壓和溫度不敏感。

　　

【正文】 具有廣泛的應(yīng)用前景。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。集成電路 TL431 繼續(xù)發(fā)揮著它獨特的作用，它使用方便，可以用于線性穩(wěn)壓電源，它激勵型穩(wěn)壓電源，自激型穩(wěn)壓電源中。與其它的器件可以巧妙連接， 構(gòu)成功能強大的實用電路?，F(xiàn)在 TL431 已經(jīng)成為用途非常廣泛，知名度相當高的通用集成電路之一，越來越受到電路設(shè)計者的親睞。 精密穩(wěn)壓器 TL431 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) TL431 是由若干個電阻、雙極型晶體管、電容和二極管組成的。具體如下圖： 圖 TL431 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 TL431 的工作原理與參數(shù) TL431 是美國德州儀器公司開發(fā)的一個三端式集成電路，屬于可調(diào)式穩(wěn)壓器，它Q6R98 00C12 0p fR 111 0kD2Q3Q2Q72 0p fC2R61kD1R47 . 2 kR74kQ9Q 1 0R23 . 2 8 kR58 00R88 00Q 1 1R32 . 4 kR 101 50Q1Q5Q4 Q8 23 也可以稱為三端式并聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓管。如下圖是 TL431 的電路符號，它的三個引出端分別為陽極、陰極、參考極?？?以從電路的符號的畫法可知，其陰極與陽極之間的輸出電壓是由參考極決定的。 TL431 在功能上相當于一只低溫漂可變的穩(wěn)壓二極管。在集成塊內(nèi)部有一個 ，通過兩只外接電阻，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 100mA。利用這一特性，可在數(shù)字電壓表，穩(wěn)壓電源、電源保護、運算放大等電路中設(shè)計出更多獨特的電路。由于 TL431 與其它器件的巧妙連接，還可以制造出其它的功能實現(xiàn)電路。 TL431 的具體工作原理 TL431 有三個引出的腳，分別稱為陰極（ Cathode）、 陽極（ Anode）、參考極（ Ref），應(yīng)用中將這三個引腳分別用 K、 A、 R 表示。其中， K 為控制端口， A 為接地端口， R為取樣端口。有些電路圖中會用阿拉伯數(shù)字 3 分別代表 R、 A、 K。 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)。 陰極（ K） 參考極（ R） 陽極（ A） 圖 TL431 的電路符號 根據(jù) TL431 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可知，它是由多級放大電路、偏置電路、補償電路、保護電路等組成。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； V V6 構(gòu)成鏡像電路，起直流移位的作用；兩個電容起穩(wěn)壓和補償?shù)淖饔?；二極管起保護電路的作用。在原理上， TL431 是一個單端輸入，單端輸出的多級直流放大器。 T L4 31 24 它的等效功能框圖如下所示， 圖 TL431 的等效功能圖 由一個 ，一個電壓比較器和一個輸出開關(guān)管等組成， 參考端的 R 輸出電壓與 ，如果 R 端口的電壓超過 ，那么TL431立即導通，因為 R端口控制的電壓誤差為 1%，因此 R端能夠較為精確的控制 TL431的導通與截止。 基準電壓源電路的介紹 基本的基準電壓源電路如下圖所示： 圖 基準電壓源電路 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。即： )ln())((12323 RRRRqkTVV BEREF ?? 因為 2cI 可以由下式確定， 2221 RIVVV EBEBEBE ???? ，2220 EBEec RVIII ???? ,利用兩管的基極 — 射極之間的電壓 BEV? （約幾十毫伏）可以控制輸出電流 2cI 的大小。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。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 ?。 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 BJT 的 ? 較大時，基極的電流BI 就可以忽略不計，因此 Q2 的集電極電流 2CI 近似等于基準電流 REFI ，即： （ ） 由上式可以得到，當 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。 圖 鏡像電流源 由于 Q2 管對 Q1 管具有溫度補償作用， 2CI 的 溫度穩(wěn)定性也較好，但是基準電流受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。鏡像電流源適用于較大電流的工作電路中，若需要減少 2CI 的值，必須要求 R 的值非常的大，這在集成電路中卻難以實現(xiàn)，因此這就需要一定的改進。 達林頓管的介紹 達林頓管又稱為復合管，它是將二支三極管適當?shù)慕釉谝黄?，來組成新的管子，等效的三極管放大倍數(shù)為 ? （ 21?? ）兩者之積，用于提高雙極型晶體管的電流增益。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。 如下圖達林頓組態(tài)，它成為雙管復合組態(tài)，兩個管子的集電極相連，第一個管子的射極驅(qū)動第二個管子的基極。由偏置因子控制 Q1 的發(fā)射極電流。三端的復合晶體管可用于代替單獨的共射、共集、共基組態(tài)的放大器。當用于射極跟隨器時，等價于共集 — 共集組態(tài)。當用于共射放大器時，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。 這一改變的作用在于兩點：一是減小了對放大器輸出電阻的影響，因為 Q1 的 0r 產(chǎn)生反饋。二是因為 Q1 的集電極 — 基極電容有輸入端連接到輸出端，增大了輸入電容。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。達林頓管連接常常參照共集 — 共集和共集 — 共射連接。 圖 達林頓組態(tài) TL431 的特點和參數(shù) I BI A SQ2Q1 27 TL431 的特點 1. 輸 出電壓最高可達 36V； 2. 動態(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 的典型運用電路 基準電壓源電路 TL431 運用了集成電路技術(shù)，它最大的特點莫過于輸出電壓可調(diào)。因此，在直流電源中可以作為高精度、低溫漂的可調(diào)基準電壓，也可以取代一般的串聯(lián)基準穩(wěn)壓器作為開關(guān)穩(wěn)壓 器的基準和誤差放大部分。由 TL431 構(gòu)成的基準電壓溫漂較小，而且它的負載能力極強，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 基準電壓源 U1T L4 31R21kR11kR31kiVCTj ?? 150~0 28 如果 R1 和 R2 的阻值是確定的，兩個電阻對電路的分壓引入了負反饋，若 Vo 增大，則 TL431 的分支電流就會增大，從而根據(jù)歐姆定律，輸出電壓 Vo 的值就會減小。顯而易見，這個深度負反饋必然會在參考點的電壓等于基準電壓時處于穩(wěn)定，輸出電壓 RE Fo VRRV )1( 21?? ，當選擇不同的 R 時，輸出電壓就會從 36V之間變化，圖中的 R3 為限流電阻。特別情況下，當 R1=R2 時，那么 Vo=5V。若把 R1 短路， R2開路，即把 R3 端與 K（陰極）相連接，此時的輸出電壓 Vo=，最適合用于 ADC或者其它的 DVM 作基準電壓源。 恒流源電路 根據(jù)前面的基準電壓源電路的分析，器件作為分流的反饋后，參考點的電壓始終維持在 ，穩(wěn)定性非常好。因此當參考端和地之間的電阻恒定時，流過電阻的電流就會恒定。我們利用這個特點，可以將 TL431 應(yīng)用在恒流電路中。 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。 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)。此電路適用于灌電流負載，電阻 R5 為晶體管和 TL431 提供偏置電流。但是此恒流源電路中沒有電流反饋環(huán)節(jié)，所以當輸出電流因某個原因而產(chǎn)生變化時，并不能通過自身的調(diào)節(jié)作用使得輸出的電流近Qb re ak PQ1U4T L4 31R51kR41k 29 似不變，必須對此電路做出進一步的改進，在此不做闡述。 電壓比較器電路 下圖是一個典型的利用 TL431 特性構(gòu)成的電壓比較器電路。 圖 電壓比較器 由電路圖可知，此電路的比較電壓為： （ ） 當 VRRVi )1( 21???時，那么 TL431 就導通，且 oV =2V。當 VRRVi )1( 21???時， TL431 就截止，且 oV = ccV 。由于 TL431 的動態(tài)輸出阻抗很小。因此電路的輸入與輸出的波形跟蹤情況良好。 電壓監(jiān)視器 電路 下圖所示的是利用 TL431 的參考端對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。 ??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。當電池正常工作的時候，那么電位器中點電位就會大于 TL431 的基準電壓，從而 TL431 導通，陰極電流 kI 經(jīng)過電阻 2R 產(chǎn)生壓降，發(fā)光綠色二極管 V1 發(fā)光。此時的電壓 kV 為 2V， 4R 兩端的電壓就會因小于 V2 的導通電壓，V2 就會熄滅， V2 為紅色的發(fā)光二極管。當電池組電壓低于正常值時， pR 的中點電位低于 TL431 的基準電壓并使其截止。 kV 升高，則 4R 兩端的電壓大于 V2 的導通電壓，使其發(fā)光。同理，由于 TL431 截 止，通過 2R 的電流減小，使兩端電壓小于 V1 的導通電壓而熄滅。 TL431 應(yīng)用所注意的事項 1. 首先，應(yīng)該注意電流的問題：通常情況下，流過 TL431 電路的最小電流至少應(yīng)該大于1mA，否則就會失去穩(wěn)壓的特性，最大的電流不宜超過 100mA，否則會毀壞 TL431