1、摘 要 參考電壓源電路是模擬集成電路及電氣電子設備的基本組成單元。一個應用廣泛的基本電路。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)，溫度的變化關系是非常小的。然而，它的溫度穩(wěn)定性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部或外部的基準精度。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)設定的性能。本文的目的是基于雙極晶體管基準源的TL431可調穩(wěn)壓器集成電路的仿真與分析。本文首先介紹了基準電壓源的國內外發(fā)展現(xiàn)狀以及趨勢。然后詳細介紹基準電壓源電路的基本結構以及基本的原理，并對幾種不同的雙極型基準電壓源電

2、路做以簡單的介紹。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)集成穩(wěn)壓基準電路進行仿真并詳細分析其結果。仿真分析的類型主要有直流工作點分析，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。仿真分析結果顯示，基準電壓源電路具有較高的穩(wěn)定性，電壓源的直流輸出電平比較穩(wěn)定，而且這個直流電平對電源電壓和溫度不敏感。關鍵詞：基準電壓源,TL431,仿真分析,Specture,溫度系數(shù)Abstract The reference voltage source is a basic module of the

3、 very wide range of applications in the design of analog integrated circuits. What we call the reference voltage source is able to power provide high stability of the baseline power to the circuit, this relationship between the picture reference and the power, process parameters and temperature is v

4、ery small, however, its import temperature stability and resistance to noise performance of with the accuracy and performance of the entire circuit system. The accuracy of the system to a large extent depends on the begin is accuracy of the internal or external reference, there is no one to meet the

5、 requirements of the is reference circuit, it can not correct and effective system of pre-set performance. The purpose of this paper is based on bipolar transistors reference TL431 adjustable voltage regulator IC is simulation and analysis. At the beginning of this article, first introduced the deve

6、lopment status and trends of the reference voltage source at home and abroad. And then details the basic structure of the reference voltage source circuit and the basic principle, and several different bipolar voltage reference circuit with a simple introduction. Second, the circuit simulation softw

7、are mulisim .Finally, the circuit simulation software specture TL431 series integrated voltage regulator reference circuit simulation and detailed analysis of the results. Simulation analysis of the main types of DC operating point analysis, AC analysis, Fourier analysis, noise analysis, noise figur

8、e, distortion analysis, DC sweep analysis, sensitivity analysis, Parameter Sweep analysis, temperature scanning. Simulation and analysis of simulation results show that the voltage reference circuit has a high stability of the DC voltage source output level is relatively stable, and the DC level is

9、not sensitive to the supply voltage and temperature.Keywords: reference voltage source ,the TL431 ,simulation ,Specture ,temperature coefficient目 錄1. 緒 論41.1 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢51.2 課題研究的目的意義61.3 本文的主要內容72. 基準電壓源電路和偏置的電流源電路72.1基準電壓源的結構72.1.1 直接采用電阻和管分壓的基準電壓源72.1.2有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓源82.1.3雙極型三管能隙基準源102.1.4 雙

10、極型二管能隙基準源122.2 的溫度特性142.3 對溫度不敏感的偏置142.4 對電源不敏感的偏置18本章小結203. 高精度可調式精密穩(wěn)壓集成電路TL431的工作原理與運用213.1精密穩(wěn)壓器TL431的內部結構213.2 TL431的工作原理與參數(shù)223.2.1 TL431的具體工作原理223.2.2 TL431的特點和參數(shù)263.3 TL431的典型運用電路263.3.1 基準電壓源電路263.3.2 恒流源電路273.3.3 電壓比較器電路28電壓監(jiān)視器電路293.4 TL431應用所注意的事項30本章小結304. 高精度可調式精密穩(wěn)壓電路TL431的仿真314.1 Candence

11、以及Specture仿真器的介紹314.2 整體電路的仿真324.2.1 直流特性仿真32瞬態(tài)特性仿真34溫度特性的仿真344.2.4 電源抑制比仿真35開環(huán)電壓增益仿真364.2.6 應用電路的仿真37本章小結38結論39致謝40參考文獻411. 緒 論基準電壓源（Reference Voltage）是指在模擬電路、混合信號電路中用作電壓基準的參考電壓源,它具有很多的優(yōu)點，典型的是相對較高的精度和穩(wěn)定度。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會影響到整個電路系統(tǒng)的精度和性能。模擬電路使用基準源，抑或為了得到與電源無關的偏置，抑或為了得到與溫度無關的偏置，它的性能好壞將會直接影響到電路的性能穩(wěn)定?；鶞试词请娮与?/p>

12、路中不可或缺的一部分，因此性能優(yōu)良的基準源是一切電子系統(tǒng)設計最基本的和最關鍵的要求。基準電路分為電流基準電路和電源基準電路。無論是電壓基準還是電流基準都要以求輸出特性必須達到穩(wěn)定，包括較高的電源電壓抑制比、較低的溫度系數(shù)，以及良好的負載特性和工藝無關性。理想的基準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。然而，通常在實際的電路中，這種情況是不可能實現(xiàn)的。因此只能通過版圖技術、電路結構原理上的改進、優(yōu)化設計和工藝的改進等方面來進一步提高基準電路輸出電壓的穩(wěn)定性或者電流的穩(wěn)定性。從電路技術上的方法上，有多個實現(xiàn)途徑。通常可以利用、耗盡管、齊納二極管的反向擊穿電壓等產(chǎn)生的電壓。為了能夠

13、滿足高性能的電路對電壓基準電路的要求，因此可以采用帶隙基準的原理來得到。隨著電路系統(tǒng)結構的進一步繁瑣性，在模擬電路基本模塊的應用中，例如A/D、D/A轉換器、濾波器及鎖相環(huán)等電路。其中，基準電壓源是電壓穩(wěn)壓器中所必備的一個電路單元，它是DCDC轉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)定的電壓基準源。1.1 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 在模擬集成電路設計中，參考電壓源是一個應用范圍十分廣泛的基本模塊。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)，溫度的變化關系是非常小的。然而，它的溫度穩(wěn)定性和抗噪

14、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部或外部的基準精度。如果沒有一個滿足要求的參考電路，它就不可能正確和有效的實現(xiàn)系統(tǒng)設定的性能。雙極型工藝是集成電路最先發(fā)展起來的先進工藝，因此以雙極性型工藝制作出來的電壓或者電流基準已經(jīng)達到了很高的性能和精度。在上世紀80年代，MOS工藝得到了迅速地發(fā)展。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了數(shù)字電子產(chǎn)品市場。近些年來，國內外的各種研究機構對CMOS工藝所實現(xiàn)的電壓基準源作了大量研究，發(fā)表了諸多具有重要意義的學術論文?；鶞孰妷涸丛陔娐废到y(tǒng)其中的技術發(fā)展主要表現(xiàn)在這幾個方面：1） 低溫度系數(shù)的基準電

15、壓源：在要求精度高的應用場合中，低溫度系數(shù)的基準電壓源就尤為關鍵了。比如，對于高精度的A/D和D/A結構、高精度的電流源和高精度的電壓源等。在設計低溫度系數(shù)的基準電壓源時，一般必須進行高階的溫度補償。 目前的高階溫度補償技術有以下幾種：常見的Vbe環(huán)路曲率補償法，非線性曲率補償法，還有基于電阻比值的溫度系數(shù)曲線補償方法等等。2） 低電壓工作的基準電壓源：SOC(Signal Operation Control)主流工藝是CMOS工藝,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(0.13um)、0.9V(0.09um)等基準

16、的電源電壓已經(jīng)得到廣泛的使用。隨著集成電路技術的不斷發(fā)展，深亞微米技術開創(chuàng)了一個新的天地，使得集成電路的電源電壓也越來越低。因為帶隙基準電壓在1.2V左右，所以一般的帶隙基準源的工作電壓至少會在1.2V以上。如果采用特殊的電路結構，帶隙基準源就可以工作在1V左右。采用這些電路結構后主要的工作電壓限制通常來自于運放的工作電壓，并且最終受限于MOS管的閾值電壓。 傳統(tǒng)帶隙電壓基準源的帶隙電壓為1.2V左右。然而，對于電源電壓低于1.2V的電壓基準必須要采用特殊的電路結構。盡管通過采用特殊的器件和相關的工藝技術可以得到具有低電壓源電壓帶隙基準源的電路，但是這與標準的CMOS工藝技術并不兼容，因此大大

17、增加了制造成本。另外，采用反饋調節(jié)回路和調節(jié)電流的模式就可以得到低電壓的帶隙基準電壓源電路。3）低功耗的基準電壓源：低功耗一直是衡量電路性能好壞的指標之一。作為集成電路的一個基本單元電路，低功耗也是基準電壓源研究方向的一個重要方向。毫無疑問，低功耗電路可以延長電池的使用壽命。因此，低功耗設計對于依靠電源工作的便攜式設備具有非常重要的意義。其中，降低電路功耗的首選方法是將MOS晶體管偏置在亞閾值區(qū)。采用浮柵的MOS器件，也可以降低電路的功耗，但是這與標準的CMOS工藝技術并不相兼容，成本比較高。4）高電源抑制比的基準電壓源：隨著數(shù)字集成電路和射頻集成電路的迅速發(fā)展以及在高頻電路中帶隙基準源的廣泛

18、使用。電源抑制比性能參數(shù)成為了基準源電路在高頻和數(shù)?；旌想娐分械囊粋€重要衡量指標。在數(shù)?；旌系募呻娐分?，電路中可能存在對模擬電路信號產(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。在混合電路中，電壓基準源應該在較寬的范圍內具有良好的電源抑制比特性，在有些設計中會使用運放結構的帶隙基準技術。在直流頻率時的PSRR(Power Supply Rjection Ratio，電源抑制比)通?？梢赃_到-100dB，在1MHz時的PSRR達-80dB。然而，使用無運放結構的負反饋帶隙基準，在1KHz的PSRR為-90dB，在1MHz時的PSRR為-30dB。1.2 課題研究的目的意義 傳統(tǒng)的參考

19、電壓源是基于齊納二極管的基本原理制成的。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，不再使用。隨著便攜式電子設備的日益普及，在基于低電源電壓集成電路的日益增長需求中，電池日漸得到長足發(fā)展。維德拉在20世紀70年代初，首次提出了帶隙基準電壓源的概念和基本設計理念。因為它的優(yōu)勢在電源電壓，功耗，穩(wěn)定性中有很大的優(yōu)越性，因此已被廣泛應用。現(xiàn)在有帶隙電壓基準IC已被廣泛使用在軍事裝備領域，通訊設備，汽車電子，工業(yè)自動化控制和消費電子產(chǎn)品。參考電壓源是一個具有精密電壓基準電路系統(tǒng)等功能的模塊，或通過轉換到其他模塊的高精度電流基準，為其它的模塊提供準確，穩(wěn)定的偏置電路。TL431是一種

20、可調式的精密穩(wěn)壓集成電路，在功能上相當于一只低溫可變的穩(wěn)壓二極管。在集成塊的內部有一個2.5V的精密基準電壓源，通過兩只外接電阻，其穩(wěn)壓值在2.5V與36V之間可以連續(xù)調節(jié)，輸出電流達100mA。我們利用TL431的這一特性，可以在數(shù)字電壓表、穩(wěn)壓電源、電源保護和運算放大等電路中，設計出很多的獨特電路。1.3 本文的主要內容通過對TL431的功能原理以及性能的分析，并逐漸深入的進行分析基于TL431電路的串聯(lián)穩(wěn)壓基準電路，借用specture仿真工具對其進行電路模擬仿真，包括基準源電路、鏡像電路、基本放大電路等。本文的主要內容有：1） 介紹基準源電壓電路研究的基本現(xiàn)狀，發(fā)展趨勢以及本課題研究的

21、目的意義；2） 介紹偏置電壓源和基準電壓源電路的分類；3） 介紹TL431的基本工作原理以及應用電路；4） 對TL431集成電路的模擬仿真分析，并進行參數(shù)等的優(yōu)化分析。2. 基準電壓源電路和偏置的電流源電路基準源主要分為基準電壓源和基準電流源，而基準電壓源的性能參數(shù)主要有溫度系數(shù)，功耗等。在集成電路內部經(jīng)常需要高質量的內部穩(wěn)壓源，以提供穩(wěn)定的偏置電壓或作為基準電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平比較穩(wěn)定，而且提供這個直流電平應該對電源電壓和溫度不敏感。在集成電路中，與電源電壓無關的常用標準電壓有以下三類： （1）BE結二極管的正向壓降Vbe，Vbe=V，它的溫度系數(shù) ;（2）由于NPN管子的

22、反向擊穿電壓BE結構成的齊納二極管的擊穿電壓， =，它的溫度系數(shù)為 ； (3)等效熱電壓=26mV，溫度系數(shù)為。2.1基準電壓源的結構 直接采用電阻和管分壓的基準電壓源如下圖的2.1基準電壓源，它是最基本的也是最簡單的基準電壓源。 圖2.1 （a）用電阻分壓的基準電壓源 圖2.1（b）用管分壓的基準電壓源 對于圖2.1（a），根據(jù)題意有： （2.1） (2.2) 其中，表示電源電壓幅度敏感系數(shù)。對于圖2.1（b），根據(jù)題意有， （2.3） 其中,，,和分別代表PMOS管的寬長比，NMOS的寬長比。如果是, ，那么它的輸出端基準電壓電源電壓非常敏感，它對溫度也非常敏感，因此對其應用受到極大的限制

23、。有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓源通過對以上情況的分析，為了能夠設計出簡單的基準電壓源，因此設計出了有源器件與電阻串聯(lián)所組成的基準電壓源，如下圖所示。圖2.2 電阻與MOS器件串聯(lián)組成的基準電壓源圖2.3 電阻與雙極型器件串聯(lián)組成的基準電壓源在圖2.2中，通過題意計算得出： (2.4) (2.5)齊納二極管優(yōu)化工作在反偏擊穿區(qū)域，因為它的擊穿電壓相對比較穩(wěn)定，因此，可以通2.4 由齊納二極管構成的電壓型基準源過一定的反向電流來驅動產(chǎn)生穩(wěn)定的基準源。當齊納二極管工作在反向偏置狀態(tài)下，圖外界提供穩(wěn)定的電壓，則流過它的電流就是穩(wěn)定的，而且隨著電壓的增加，電流會迅速增大。齊納基準源的最大好處是可以

24、得到很寬的電壓范圍，2V到200V。它們還具有很寬范圍的功率，從幾個毫瓦到幾瓦。因此這種基準的電壓源必須要提供恒定的電流才能保證其穩(wěn)定的工作。具體如圖2.4。然而對于這種由齊納二極管組成的電壓基準源，現(xiàn)在運用的卻越來越少,盡管有其很多優(yōu)點，比如：輸入的電壓范圍很寬，精確度優(yōu)于1%。但是缺點也非常的突出，如：靜態(tài)電流較大（1到10mA），它適合于對功耗要求不是很嚴格的應用電路：其次精度低，電流只能流入，而且壓差大，噪聲大，輸出基準電壓對電流和溫度的依賴性較大。雙極型三管能隙基準源 下圖為雙極型三管能隙基準源電路:圖2.5 三管能隙基準源圖中的T1，T2，R1，R2，R3組成的恒流源，因為NPN管

25、的放大系數(shù)很大，因此基極電流Ib可以忽略。我們由圖可以得到： （2.6）因此， （2.7）根據(jù)題意得基準電壓的輸出公式： （2.8）其中， （2.9）式中，I是代表發(fā)射極電流，A是有效的發(fā)射結面積，J是發(fā)射極電流密度，由上面的兩個式子可以推導出： （2.10）由上式可知：利用等效熱電壓的Vt正溫度系數(shù)可以和Vbe的負溫度系數(shù)相互補償，使得輸出的基準電壓溫度系數(shù)接近為0。由文獻可知： （2.11） 上式中的=1.205V，是溫度在0K時候的硅外推能隙電壓。n為常數(shù)，它的值與晶體管的制作工藝有關，對于集成電路的雙極型擴散晶體管，n=1.522；為參考溫度。假設，與溫度無關，那么令時的基準電壓溫度系

26、數(shù)為0，即，求得在參考溫度附近的時候，基準電壓和溫度的關系。將式（2.11）代入式（2.10）中，并令其，可得： （2.12） 實際上， 于是， （2.13）通過以上分析，這說明了在選定的參考溫度下，只要適當?shù)脑O計即可使得在該溫度下基準電壓的溫度系數(shù)接近為0。由于溫度系數(shù)為0的基準電壓，其值接近材料的能隙電壓，稱其為能隙基準。假設兩個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， （2.14）因此，把代入式（2.14）得 （2.15）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電壓可以調得較準。 雙極型二管能隙基準源以上的三管的能隙基準源輸出是整數(shù)倍的基準電壓

27、，但是要求輸出電壓不是的整數(shù)倍時候，可用二管能隙基準源，下圖為兩管的能隙基準源電路圖： 圖2.6 兩管能隙基準源其中T2、T4為PNP恒流源，作為T1、T2管集電極的有源負載，假設： （2.16）由圖可知， （2.17）因此， （2.18）與上述分析的三管能隙基準源相類似，令可以得到： （2.19）因此，可以通過控制發(fā)射極的有效面積比：或者及電阻之比來獲得接近零溫度系數(shù)的基準源。 （2.20）對于（2.20）式，我們可以得到，對其控制相對容易些，而且控制精度也較高，所以只需要一個精確的修正電阻值（用離子注入電阻改變注入量，或者用金屬膜電阻，并且采用激光修正阻值的工藝）即可精確控制基準電壓的值。

28、例如p取值為1，為10，R2為10K，R1為2K，設 =0.65V，則為1.25V。2.2 VBE的溫度特性 NPN型的雙極型管子，基極與射極的電壓可以表示為： （2.21）在這個式中，是熱電壓，即，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，其與器件的內部結構有關，它的表達式為： （2.22）A為基極與射極的結面積，是硅的本證載流子濃度，是基區(qū)的電子擴散常數(shù)的平均有效值， 是單位面積基區(qū)的總摻雜濃度。根據(jù)愛因斯坦公式，和本證載流子與溫度的關系，可以得到： （2.23） （2.24）其中，是基區(qū)的平均電子遷移率，C、D、n是與溫度無關的常量，是稱為材料的能隙電壓

29、。由文獻可知， （2.25）式中的=1.205V，是溫度為0K時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，對于集成電路中的雙型擴散管，n=，To為參考溫度。2.3 對溫度不敏感的偏置 與熱電壓基準源電路有很高的輸出電流溫度系數(shù)。盡管在熱電壓的基準電路中，溫度靈敏度已經(jīng)被顯著的減少了，但是它的溫度系數(shù)在很多的應用場合還顯得不是足夠的低。因此，必須要盡可能找出實現(xiàn)低溫度系數(shù)偏置電路的方法。分別以和熱電壓為基準的偏置電壓源，它們會有相反的。因此，輸出的電流就有可能以和的某些復合電壓作為基準源。如果選擇了某種適當?shù)膹秃戏绞?，那么久可以使得輸出溫度系?shù)為0。目前，都會進行討論偏置源是怎

30、么獲得低溫度系數(shù)的電流。然而，在實際的應用時，經(jīng)常要低的溫度系數(shù)的電壓偏置或者基準電壓源。穩(wěn)壓器的基準電壓就是一個很好的范例。溫度系數(shù)被用來在基準電壓中可以補償產(chǎn)生輸出電流的電阻的溫度系數(shù)。為了簡單起見，我們在下面有關于帶隙基準源的討論中，對象則是低溫度系數(shù)的電壓源。如下圖設想的帶隙基準源電路：圖2.10 帶隙基準源基本原理圖它的輸出電壓為加上M（常數(shù)）倍的熱電壓。為了使M的值確定，則必須確定的溫度系數(shù)。通?；鶚O電流忽略不計，那么有 （2.26）其中，飽和電流與器件的結構有關，并且滿足公式 （2.27） 其中，是硅的內部少數(shù)載流子濃度，是基極每單位面積的摻雜濃度，是基極平均電子遷移率，A是發(fā)射

31、極的面積，T代表溫度。常數(shù)B和代表和溫度無關的獨立參數(shù)。利用愛因斯坦公式可得， （2.28）可以將用和描述的表達式。式（2.20）中和溫度有關的量滿足下列關系式： （2.29） （2.30） 其中，為溫度為0K時的硅的帶隙電壓。這里的C和D都是和溫度無關的參數(shù)，它們的精確度對于分析設計并不是多重要?；鶚O電子遷移表達式中的指數(shù)n與摻雜濃度有關。綜合以上式子，可以得到： （2.31）其中的E是另外一個和溫度無關的參數(shù)，并且有 （2.32）因此，在實際的帶隙基準源電路中，電流I并不是常量，而是隨著溫度的變化而變化。我們暫時的假設隨著溫度的變化是已知的并且可以寫成下面的式子， （2.33）其中，G是另

32、外一個和溫度無關的常量。結合上面的式子,可以得到， （2.34）由上述的帶隙基本原理圖可知， （2.35）將式（2.34）代入（2.35）得， （2.36）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)關系式。因此，如果要使輸出電壓與溫度無關，那么需求輸出電壓對溫度的導數(shù)來找到使得溫度系數(shù)為0的G，和M的值。對于（2.54）式，可以求導得， （2.37）其中，是當輸出的溫度系數(shù)為0時的溫度，是熱電壓在時刻的值。將方程式（2.55）整理得， (2.38)如此，該等式給出了如果要達到溫度系數(shù)為0時的電路參數(shù)M，和G的器件參數(shù)E和的表達式。在原則上，這些參數(shù)值都可以由式

33、子（2.48）直接計算得到。把式子（2.56）直接代入（2.54），可以得到更加便于理解的結果， （2.39）根據(jù)上式，我們可以得到，與溫度有關的輸出電壓完全會由一個參數(shù)來表述，同時是由常數(shù)M，E和G來決定的。由式子（2.57）可以得到，在溫度系數(shù)為0的溫度（）下輸出電壓為， （2.40）例如，在27下，假設=3.2，=1，則輸出電壓為， （2.41）因為硅的帶隙電壓=1.205V , 所以有， （2.42）所以，零溫度系數(shù)時的輸出電壓和硅的帶隙電壓接近。將式子（2.57）對溫度求導數(shù)，得 （2.43）等式（2.61）以溫度的函數(shù)給出了輸出的變化曲線。當時，上式的對數(shù)項內的自變量大于1，因此此

34、時對應的曲線的斜率為正。于此類推，在時斜率為負。當溫度在附近時，會有 （2.44）所以可以得到 （2.45） 如上的式（2.62）和（2.63）所示，輸出的溫度系數(shù)當在時為0。因此可以得到這樣一個結論：輸出電壓是加權的熱電壓和基極發(fā)射極電壓的和。因為基極發(fā)射極的電壓的溫度系數(shù)并不是常數(shù)，所以增益M可以通過在某一溫度下使得輸出的溫度系數(shù)為0而得到。換而言之，熱電壓就是為了用來抵消基極發(fā)射極電壓對溫度的線性的變化關系。因此，這種用帶隙基準源電路來補償這種非線性被稱作為曲率補償。2.4 對電源不敏感的偏置回到圖2.7中的簡單的鏡像電流源，將輸入的鏡像電流源用電阻代替，并且忽略了有限的和的影響，那么可

35、以得到輸出電流為， （2.46）假如遠遠的大于，這個電路的缺點，就是輸出的電流與電源電壓成一定的比例。例如，如果，且這個鏡像電流源被用于了一個與310V的電壓范圍內的電壓源，這個電壓源有函數(shù)的運算放大器，則偏置電流就會超出范圍的1/4，而電壓源的功耗會超出1/13。有一種方法可以測試偏置電路這方面的性能，即通過測試電源電壓的細小變化而引起的偏置電流的細小變化。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）。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： （2.47）將式子（2.65）應用于計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， （2.48）輸入的電壓在

36、雙極型的電路中，被稱作，而在MOS電路中被稱作為。如果圖2.7的遠遠的大于，則 （2.49）式子（2.49）中，表明了圖2.7簡單的鏡像電流源的輸出電流很大程度上會取決于輸入的電壓。因此，這種電路就不能夠用于那種很重視敏感系數(shù)的場合。接下來看看圖2.8的雙極型Widlar電流源，由圖2.8可知，輸出電流由下式?jīng)Q定， （2.50）詳細計算過程的見后面文章有關于鏡像電流源的計算，這里不再細述。為了確定輸出的電流對于輸入電壓的敏感度，可以將式（2.50）對做微分，可以得到； （2.51）微分后，得： （2.52）解方程得為 （2.53）將式（2.53）代入式子（2.48）得到 （2.54）如果，則，

37、且對于的敏感度是一定的。例如，如果=1mA，且=27.4，由式（2.48）得 （2.55）這樣，電源電壓每變化10%就會導致輸出電流變化1.6%。本章小結本章內容首先具體介紹了直接采用電阻和晶體管分壓的基準電壓源，然后介紹了有源器件和電阻串聯(lián)所組成的基準電壓源，接下來介紹了雙極型三管帶隙基準源、雙極型二管帶隙基準源。隨后分析了的溫度特性，最后分析了對溫度和電源不敏感的偏置。 通過以上的介紹，了解到對于雙極型三管能隙基準源，在選定的溫度為后，只要適當?shù)脑O計電阻和飽和電流的比例，就可以使得在該溫度下基準電壓的溫度系數(shù)接近為0，這種基準電壓的值接近于材料的能隙電壓，所以稱其為帶隙基準。在工藝上，的值

38、和電阻的比值相對容易控制，因此這類電源的輸出基準電壓可以調得較準。對于雙極型的二管帶隙基準源，和三管的類似，可以通過有效的控制發(fā)射極面積比例和電阻的比值關系來獲得零溫度系數(shù)的基準源。因為它們的控制相對容易，所以只需要精確的修正一個電阻值（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電壓。從以上的討論中，我們可以看出，在雙極型的電路中，基極射極的壓降是個很重要的參數(shù)，它隨著溫度的變化而變化明顯，帶隙基準源就是運用合理的電路設計，通過補償隨著溫度變化而對輸出電壓的影響，來獲取接近零溫度系數(shù)的基準源。3. 高精度可調式精密穩(wěn)壓集成電路TL431的工作原理與運

39、用 TL431是美國的德州儀器公司開發(fā)的一個具有良好的熱穩(wěn)定性的三端可調精密穩(wěn)壓基準集成電路，它的全稱為可調式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器或者又叫三端取樣集成電路。該芯片猶如上個世紀70年代生產(chǎn)設計的555芯片一樣，質優(yōu)價廉，參數(shù)性能良好，性能穩(wěn)定可靠，因此具有廣泛的應用前景。隨著電子技術的不斷發(fā)展，電源技術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，越來越受到電路設計者的親睞。3.1精密穩(wěn)壓器TL431

40、的內部結構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3.1 TL431的內部結構示意圖3.2 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，屬于可調式穩(wěn)壓器，它也可以稱為三端式并聯(lián)調整穩(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。可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。在集成塊內部有一個2.5V的精密穩(wěn)壓基準源，通過兩只外接電阻，其穩(wěn)壓值可以在2.5V至36V之間連續(xù)可調，輸出的電流可以達100mA。利用這一特性，

41、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1、2、3分別代表R、A、K。TL431有兩種封裝方式：一種為T0-92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腳塑封結構。 陰極（K） 參考極（R） 陽極（A）圖3.2 TL431的電路符號根據(jù)TL4

42、31的內部結構圖可知，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V1、V4、V10、V11構成了放大電路；V2、V3、V8、V9構成了基本的穩(wěn)壓基準；V5、V6構成鏡像電路，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。它的等效功能框圖如下所示，圖3.3 TL431的等效功能圖由一個2.5V的精密基準電壓源，一個電壓比較器和一個輸出開關管等組成，參考端的R輸出電壓與2.5V的精密基準電壓源相比較，如果R端口的電壓超過2.5V時，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

43、能夠較為精確的控制TL431的導通與截止。.1 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3.4 基準電壓源電路假如Q1、Q2、Q3三個管子的特性相同，那么，根據(jù)題意得，Q1和Q3的集電極電壓相同。即： 因為可以由下式確定，,利用兩管的基極射極之間的電壓（約幾十毫伏）可以控制輸出電流的大小。由于的數(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結的電流方程，可以得到：，其中是熱電壓，。.2鏡像電路的介紹 如下圖所示，設Q1和Q2的參數(shù)特性完全相同，即，由于兩管具有相同的基極射極間電壓，所以，當BJT的較大時，基極的電流就可以忽略不計，因此Q2的集電極電流近似等于基準電

44、流，即： （3.1）由上式可以得到，當R確定之后，就可以確定了，也隨之確定，常常將看作是的鏡像，所以稱下圖為鏡像電流源。圖3.5 鏡像電流源由于Q2管對Q1管具有溫度補償作用，的溫度穩(wěn)定性也較好，但是基準電流受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。.3 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（）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