低压基准电压源电路的仿真分析_毕业设计

摘要参考电压源电路是模拟集成电路及电气电子设备的基本组成单元。一个应用广泛的基本电路。我们所说的参考电压源，就是能够提供高稳定性的基准电源的电路，它们之间的参考电压和电源，工艺参数，温度的变化关系是非常小的。然而，它的温度稳定性和抗噪声性能够影响到整个电路系统。该系统的精度在很大程度上取决于内部或外部的基准精度。如果没有一个满足要求的参考电路，它不就能正确和有效的实现系统设定的性能。本文的目的是基于双极晶体管基准源的TL431可调稳压器集成电路的仿真与分析。本文首先介绍了基准电压源的国内外发展现状以及趋势。然后详细介绍基准电压源电路的基本结构以及基本的原理，并对几种不同的双极型基准电压源电路做以简单的介绍。其次对电路仿真软件进行介绍，最后运用电路仿真软件SPECTURE对TL431串联集成稳压基准电路进行仿真并详细分析其结果。仿真分析的类型主要有直流工作点分析，交流分析，傅里叶分析，噪声分析，噪声系数分析，失真分析，直流扫描分析，灵敏度分析，参数扫描分析，温度扫描分析等。仿真分析结果显示，基准电压源电路具有较高的稳定性，电压源的直流输出电平比较稳定，而且这个直流电平对电源电压和温度不敏感。关键词基准电压源,TL431,仿真分析,SPECTURE,温度系数ABSTRACTTHEREFERENCEVOLTAGESOURCEISABASICMODULEOFTHEVERYWIDERANGEOFAPPLICATIONSINTHEDESIGNOFANALOGINTEGRATEDCIRCUITSWHATWECALLTHEREFERENCEVOLTAGESOURCEISABLETOPOWERPROVIDEHIGHSTABILITYOFTHEBASELINEPOWERTOTHECIRCUIT,THISRELATIONSHIPBETWEENTHEPICTUREREFERENCEANDTHEPOWER,PROCESSPARAMETERSANDTEMPERATUREISVERYSMALL,HOWEVER,ITSIMPORTTEMPERATURESTABILITYANDRESISTANCETONOISEPERFORMANCEOFWITHTHEACCURACYANDPERFORMANCEOFTHEENTIRECIRCUITSYSTEMTHEACCURACYOFTHESYSTEMTOALARGEEXTENTDEPENDSONTHEBEGINISACCURACYOFTHEINTERNALOREXTERNALREFERENCE,THEREISNOONETOMEETTHEREQUIREMENTSOFTHEISREFERENCECIRCUIT,ITCANNOTCORRECTANDEFFECTIVESYSTEMOFPRESETPERFORMANCETHEPURPOSEOFTHISPAPERISBASEDONBIPOLARTRANSISTORSREFERENCETL431ADJUSTABLEVOLTAGEREGULATORICISSIMULATIONANDANALYSISATTHEBEGINNINGOFTHISARTICLE,FIRSTINTRODUCEDTHEDEVELOPMENTSTATUSANDTRENDSOFTHEREFERENCEVOLTAGESOURCEATHOMEANDABROADANDTHENDETAILSTHEBASICSTRUCTUREOFTHEREFERENCEVOLTAGESOURCECIRCUITANDTHEBASICPRINCIPLE,ANDSEVERALDIFFERENTBIPOLARVOLTAGEREFERENCECIRCUITWITHASIMPLEINTRODUCTIONSECOND,THECIRCUITSIMULATIONSOFTWAREMULISIMFINALLY,THECIRCUITSIMULATIONSOFTWARESPECTURETL431SERIESINTEGRATEDVOLTAGEREGULATORREFERENCECIRCUITSIMULATIONANDDETAILEDANALYSISOFTHERESULTSSIMULATIONANALYSISOFTHEMAINTYPESOFDCOPERATINGPOINTANALYSIS,ACANALYSIS,FOURIERANALYSIS,NOISEANALYSIS,NOISEFIGURE,DISTORTIONANALYSIS,DCSWEEPANALYSIS,SENSITIVITYANALYSIS,PARAMETERSWEEPANALYSIS,TEMPERATURESCANNINGSIMULATIONANDANALYSISOFSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHEVOLTAGEREFERENCECIRCUITHASAHIGHSTABILITYOFTHEDCVOLTAGESOURCEOUTPUTLEVELISRELATIVELYSTABLE,ANDTHEDCLEVELISNOTSENSITIVETOTHESUPPLYVOLTAGEANDTEMPERATUREKEYWORDSREFERENCEVOLTAGESOURCE,THETL431,SIMULATION,SPECTURE,TEMPERATURECOEFFICIENT目录1绪论411国内外研究现状与发展趋势512课题研究的目的意义613本文的主要内容72基准电压源电路和偏置的电流源电路721基准电压源的结构7211直接采用电阻和管分压的基准电压源7212有源器件与电阻串联所组成的基准电压源8213双极型三管能隙基准源10214双极型二管能隙基准源1222的温度特性14BEV23对温度不敏感的偏置1424对电源不敏感的偏置18本章小结203高精度可调式精密稳压集成电路TL431的工作原理与运用2131精密稳压器TL431的内部结构2132TL431的工作原理与参数22321TL431的具体工作原理22322TL431的特点和参数2633TL431的典型运用电路26331基准电压源电路26332恒流源电路27333电压比较器电路28334电压监视器电路2934TL431应用所注意的事项30本章小结304高精度可调式精密稳压电路TL431的仿真3141CANDENCE以及SPECTURE仿真器的介绍3142整体电路的仿真32421直流特性仿真32422瞬态特性仿真34423温度特性的仿真34424电源抑制比仿真35425开环电压增益仿真36426应用电路的仿真37本章小结38结论39致谢40参考文献411绪论基准电压源（REFERENCEVOLTAGE）是指在模拟电路、混合信号电路中用作电压基准的参考电压源,它具有很多的优点，典型的是相对较高的精度和稳定度。它的稳定性和抗噪声性会影响到整个电路系统的精度和性能。模拟电路使用基准源，抑或为了得到与电源无关的偏置，抑或为了得到与温度无关的偏置，它的性能好坏将会直接影响到电路的性能稳定。基准源是电子电路中不可或缺的一部分，因此性能优良的基准源是一切电子系统设计最基本的和最关键的要求。基准电路分为电流基准电路和电源基准电路。无论是电压基准还是电流基准都要以求输出特性必须达到稳定，包括较高的电源电压抑制比、较低BEBEVRI2132的温度系数，以及良好的负载特性和工艺无关性。理想的基准电路所提供的电压或者电流是不随其它任意条件的改变而变化。然而，通常在实际的电路中，这种情况是不可能实现的。因此只能通过版图技术、电路结构原理上的改进、优化设计和工艺的改进等方面来进一步提高基准电路输出电压的稳定性或者电流的稳定性。从电路技术上的方法上，有多个实现途径。通常可以利用VBE、耗尽管、齐纳二极管的反向击穿电压等产生TH的电压。为了能够满足高性能的电路对电压基准电路的要求，因此可以采用带隙基准的原理来得到。随着电路系统结构的进一步繁琐性，在模拟电路基本模块的应用中，例如A/D、D/A转换器、滤波器及锁相环等电路。其中，基准电压源是电压稳压器中所必备的一个电路单元，它是DCDC转换器中不可或缺的单元组成部分，在各种要求较高精确度的电压表、欧姆表、电流表等仪器里都需要稳定的电压基准源。11国内外研究现状与发展趋势在模拟集成电路设计中，参考电压源是一个应用范围十分广泛的基本模块。我们所说的参考电压源，就是能够提供高稳定性的基准电源的电路，它们之间的参考电压和电源，工艺参数，温度的变化关系是非常小的。然而，它的温度稳定性和抗噪声性能够影响到整个电路系统。该系统的精度在很大程度上取决于内部或外部的基准精度。如果没有一个满足要求的参考电路，它就不可能正确和有效的实现系统设定的性能。双极型工艺是集成电路最先发展起来的先进工艺，因此以双极性型工艺制作出来的电压或者电流基准已经达到了很高的性能和精度。在上世纪80年代，MOS工艺得到了迅速地发展。90年代以后，COMS凭借它的低功耗、高集成度，较好的稳定性等特性逐渐占领了数字电子产品市场。近些年来，国内外的各种研究机构对CMOS工艺所实现的电压基准源作了大量研究，发表了诸多具有重要意义的学术论文。基准电压源在电路系统其中的技术发展主要表现在这几个方面1）低温度系数的基准电压源在要求精度高的应用场合中，低温度系数的基准电压源就尤为关键了。比如，对于高精度的A/D和D/A结构、高精度的电流源和高精度的电压源等。在设计低温度系数的基准电压源时，一般必须进行高阶的温度补偿。目前的高阶温度补偿技术有以下几种常见的VBE环路曲率补偿法，非线性曲率补偿法，还有基于电阻比值的温度系数曲线补偿方法等等。2）低电压工作的基准电压源SOCSIGNALOPERATIONCONTROL主流工艺是CMOS工艺,目前，5V06UM、33V035UM、18V018UM、15V015UM、12V013UM、09V009UM等基准的电源电压已经得到广泛的使用。随着集成电路技术的不断发展，深亚微米技术开创了一个新的天地，使得集成电路的电源电压也越来越低。因为带隙基准电压在12V左右，所以一般的带隙基准源的工作电压至少会在12V以上。如果采用特殊的电路结构，带隙基准源就可以工作在1V左右。采用这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，并且最终受限于MOS管的阈值电压。传统带隙电压基准源的带隙电压为12V左右。然而，对于电源电压低于12V的电压基准必须要采用特殊的电路结构。尽管通过采用特殊的器件和相关的工艺技术可以得到具有低电压源电压带隙基准源的电路，但是这与标准的CMOS工艺技术并不兼容，因此大大增加了制造成本。另外，采用反馈调节回路和调节电流的模式就可以得到低电压的带隙基准电压源电路。3）低功耗的基准电压源低功耗一直是衡量电路性能好坏的指标之一。作为集成电路的一个基本单元电路，低功耗也是基准电压源研究方向的一个重要方向。毫无疑问，低功耗电路可以延长电池的使用寿命。因此，低功耗设计对于依靠电源工作的便携式设备具有非常重要的意义。其中，降低电路功耗的首选方法是将MOS晶体管偏置在亚阈值区。采用浮栅的MOS器件，也可以降低电路的功耗，但是这与标准的CMOS工艺技术并不相兼容，成本比较高。4）高电源抑制比的基准电压源随着数字集成电路和射频集成电路的迅速发展以及在高频电路中带隙基准源的广泛使用。电源抑制比性能参数成为了基准源电路在高频和数模混合电路中的一个重要衡量指标。在数模混合的集成电路中，电路中可能存在对模拟电路信号产生干扰的现象，即是高频的噪声和数字电路产生噪声地影响。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内具有良好的电源抑制比特性，在有些设计中会使用运放结构的带隙基准技术。在直流频率时的PSRRPOWERSUPPLYRJECTIONRATIO，电源抑制比通常可以达到100DB，在1MHZ时的PSRR达80DB。然而，使用无运放结构的负反馈带隙基准，在1KHZ的PSRR为90DB，在1MHZ时的PSRR为30DB。12课题研究的目的意义传统的参考电压源是基于齐纳二极管的基本原理制成的。但是齐纳二极管的击穿电压一般比所使用的电压源电压大，因此已过时，不再使用。随着便携式电子设备的日益普及，在基于低电源电压集成电路的日益增长需求中，电池日渐得到长足发展。维德拉在20世纪70年代初，首次提出了带隙基准电压源的概念和基本设计理念。因为它的优势在电源电压，功耗，稳定性中有很大的优越性，因此已被广泛应用。现在有带隙电压基准IC已被广泛使用在军事装备领域，通讯设备，汽车电子，工业自动化控制和消费电子产品。参考电压源是一个具有精密电压基准电路系统等功能的模块，或通过转换到其他模块的高精度电流基准，为其它的模块提供准确，稳定的偏置电路。TL431是一种可调式的精密稳压集成电路，在功能上相当于一只低温可变的稳压二极管。在集成块的内部有一个25V的精密基准电压源，通过两只外接电阻，其稳压值在25V与36V之间可以连续调节，输出电流达100MA。我们利用TL431的这一特性，可以在数字电压表、稳压电源、电源保护和运算放大等电路中，设计出很多的独特电路。13本文的主要内容通过对TL431的功能原理以及性能的分析，并逐渐深入的进行分析基于TL431电路的串联稳压基准电路，借用SPECTURE仿真工具对其进行电路模拟仿真，包括基准源电路、镜像电路、基本放大电路等。本文的主要内容有1）介绍基准源电压电路研究的基本现状，发展趋势以及本课题研究的目的意义；2）介绍偏置电压源和基准电压源电路的分类；3）介绍TL431的基本工作原理以及应用电路；4）对TL431集成电路的模拟仿真分析，并进行参数等的优化分析。2基准电压源电路和偏置的电流源电路基准源主要分为基准电压源和基准电流源，而基准电压源的性能参数主要有温度系数，功耗等。在集成电路内部经常需要高质量的内部稳压源，以提供稳定的偏置电压或作为基准电压。一般要求这些电压源的直流输出电平比较稳定，而且提供这个直流电平应该对电源电压和温度不敏感。在集成电路中，与电源电压无关的常用标准电压有以下三类（1）BE结二极管的正向压降VBE，VBEV，它的温度系数806（2）由于NPN管子的反向击穿电压BE结构成的齐纳二极管的击穿电压，ZVZ，它的温度系数为；V963等效热电压26MV，温度系数为。TVCMVTT08621基准电压源的结构211直接采用电阻和管分压的基准电压源如下图的21基准电压源，它是最基本的也是最简单的基准电压源。CMTBE2T2R20VREFR1VDDVDDM10M2VREF图21（A）用电阻分压的基准电压源图21（B）用管分压的基准电压源对于图21（A），根据题意有（21）22其中，表示电源电压幅度敏感系数。REFDVS对于图21（B），根据题意有，（23）其中,，,和分别代表PMOS管的宽POXPLWCNOXNLWCPNL长比，NMOS的宽长比。如果是,，那么它的输出端基准电压电源电PTV压非常敏感，它对温度也非常敏感，因此对其应用受到极大的限制。212有源器件与电阻串联所组成的基准电压源通过对以上情况的分析，为了能够设计出简单的基准电压源，因此设计出了有源器件与电阻串联所组成的基准电压源，如下图所示。1TNPNDTPREFVV21REFDV1REFDVREFDDREFVSVREFVDDR10M1图22电阻与MOS器件串联组成的基准电压源图23电阻与双极型器件串联组成的基准电压源在图22中，通过题意计算得出242512DREFREFGSTVV11REFDVDREFTREF0VREFR10VDDQ1齐纳二极管优化工作在反偏击穿区域，因为它的击穿电压相对比较稳定，因此，可以通24由齐纳二极管构成的电压型基准源过一定的反向电流来驱动产生稳定的基准源。当齐纳二极管工作在反向偏置状态下，图外界提供稳定的电压，则流过它的电流就是稳定的，而且随着电压的增加，电流会迅速增大。齐纳基准源的最大好处是可以得到很宽的电压范围，2V到200V。它们还具有很宽范围的功率，从几个毫瓦到几瓦。因此这种基准的电压源必须要提供恒定的电流才能保证其稳定的工作。具体如图24。然而对于这种由齐纳二极管组成的电压基准源，现在运用的却越来越少,尽管有其很多优点，比如输入的电压范围很宽，精确度优于1。但是缺点也非常的突出，如静态电流较大（1到10MA），它适合于对功耗要求不是很严格的应用电路其次精度低，电流只能流入，而且压差大，噪声大，输出基准电压对电流和温度的依赖性较大。213双极型三管能隙基准源下图为双极型三管能隙基准源电路VREFVDDR1D0R31KQBREAKNQ1VCCQBREAKNQ2R11KI10ADCQBREAKNQ3R21K图25三管能隙基准源图中的T1，T2，R1，R2，R3组成的恒流源，因为NPN管的放大系数很大，因此基极电流IB可以忽略。我们由图可以得到（26）因此，（27）根据题意得基准电压的输出公式（28）其中，（29）式中，I是代表发射极电流，A是有效的发射结面积，J是发射极电流密度，由上面的两个式子可以推导出（210）由上式可知利用等效热电压的VT正温度系数可以和VBE的负温度系数相互补偿，使得输出的基准电压温度系数接近为0。由文献可知（211）BEBEVRI2132BEIV322BEBERFV322121LNLNJQKTAIQKTVEBE21322132LNLNJVRJQKTRVTBEBERFTQNKVTTVBEGOICBE000L1常数上式中的1205V，是温度在0K时候的硅外推能隙电压。N为常数，它的值与晶0GV体管的制作工艺有关，对于集成电路的双极型扩散晶体管，N1522；为参考温度。0T假设，与温度无关，那么令时的基准电压温度系数为0，即32R21J0T，求得在参考温度附近的时候，基准电压和温度的关系。TEF0将式（211）代入式（210）中，并令其，可得VREF（212）实际上，于是，（213）通过以上分析，这说明了在选定的参考温度下，只要适当的设计即可使得32R21J在该温度下基准电压的温度系数接近为0。由于温度系数为0的基准电压，其值接近材料的能隙电压，称其为能隙基准。0GV假设两个管子的几何尺寸相同，晶体管的放大系数也较大，则，由图可知，（214）因此，把代入式（214）得21RI（215）在工艺上，VBE的值和电阻的值容易控制，因此在此类电源的输出基准电压可以调得较准。214双极型二管能隙基准源以上的三管的能隙基准源输出是整数倍的基准电压，但是要求输出电压不是0GV的整数倍时候，可用二管能隙基准源，下图为两管的能隙基准源电路图0GV21032LN0JQKTVTREF,00GQNKT00GTREFV3211BEREFBVIVQKTNQKTGBETEF012320L0QBREAKNT1R11KQBREAKPT4QBREAKNT2VCCR21KQBREAKPT3QKTNVGOREF02121IJE图26两管能隙基准源其中T2、T4为PNP恒流源，作为T1、T2管集电极的有源负载，假设（216）由图可知，（217）因此，（218）与上述分析的三管能隙基准源相类似，令可以得到0TVREF（219）因此，可以通过控制发射极的有效面积比或者及电阻之比来获得接近21EA43E零温度系数的基准源。（220）对于（220）式，我们可以得到，对其控制相对容易些，而且控制精度也较高，所以只需要一个精确的修正电阻值（用离子注入电阻改变注入量，或者用金属膜电阻，并且采用激光修正阻值的工艺）即可精确控制基准电压的值。REFV例如P取值为1，为10，R2为10K，R1为2K，设065V，则为2EABEREFVPIIEC2143211212212LNJQKTRVRIVBER21122LJKPBRBERFQKNJQKPVGBETREF01020L1043432121,EEEELLA125V。22VBE的温度特性NPN型的双极型管子，基极与射极的电压可以表示为BEV（221）在这个式中，是热电压，即，K是波尔兹曼常数，Q为电子的电荷，IC是集TVKTV电极电流，IS是晶体管的饱和电流，其与器件的内部结构有关，它的表达式为（222）A为基极与射极的结面积，是硅的本证载流子浓度，是基区的电子扩散常数的平均INND有效值，是单位面积基区的总掺杂浓度。BQ根据爱因斯坦公式，和本证载流子与温度的关系，可以得到NNDKTQU（223）（224）其中，是基区的平均电子迁移率，C、D、N是与温度无关的常量，是称为材料的U0GV能隙电压。由文献可知，（225）式中的1205V，是温度为0K时的硅的外推能隙电压；N为常数，它的值与晶体管的0GV制作工艺有关，对于集成电路中的双型扩散管，N1522，TO为参考温度。23对温度不敏感的偏置与热电压基准源电路有很高的输出电流温度系数。尽管在热电压的基准电路BEV中，温度灵敏度已经被显著的减少了，但是它的温度系数在很多的应用场合还显得不是足够的低。因此，必须要尽可能找出实现低温度系数偏置电路的方法。分别以和热电压为基准的偏置电压源，它们会有相反的。因此，输出BETVFTC的电流就有可能以和的某些复合电压作为基准源。如果选择了某种适当的复合方式，那么久可以使得输出温度系数为0。LNSCBEIBNISQAI2NCTUEXP032GIVTQNKTVTBEGICBE000L1常数目前，都会进行讨论偏置源是怎么获得低温度系数的电流。然而，在实际的应用时，经常要低的温度系数的电压偏置或者基准电压源。稳压器的基准电压就是一个很好的范例。温度系数被用来在基准电压中可以补偿产生输出电流的电阻的温度系数。为了简单起见，我们在下面有关于带隙基准源的讨论中，对象则是低温度系数的电压源。如下图设想的带隙基准源电路图210带隙基准源基本原理图VTGANARATARTVT0087MV/MVTSUMNVTVBEONVOUTVBEONMVTTVBEON15MV/IVDD带隙基准基本原理图它的输出电压为加上M（常数）倍的热电压。为了使M的值确定，则必须确ONBEVTV定的温度系数。通常基极电流忽略不计，那么有ONBE（226）其中，饱和电流与器件的结构有关，并且满足公式SI（227）其中，是硅的内部少数载流子浓度，是基极每单位面积的掺杂浓度，是基极平INBQN均电子迁移率，A是发射极的面积，T代表温度。常数B和代表和温度无关的独立参数。利用爱因斯坦公式可得，（228）NNQUDKT可以将用和描述的表达式。式（220）中和温度有关的量满足下列关系式SIN2I（229）（230）其中，为温度为0K时的硅的带隙电压。这里的C和D都是和温度无关的参数，它0GV们的精确度对于分析设计并不是多重要。基极电子迁移表达式中的指数N与掺杂浓N度有关。综合以上式子，可以得到（231）其中的E是另外一个和温度无关的参数，并且有（232）因此，在实际的带隙基准源电路中，电流I并不是常量，而是随着温度的变化而变化。我们暂时的假设随着温度的变化是已知的并且可以写成下面的式子，（233）其中，G是另外一个和温度无关的常量。结合上面的式子,可以得到，（234）STONBEIVLNINIBNISDQA222NNEXP032TGIVEXPLN0TGRTOBEVEIVR4GTILN0ETVTGONBE由上述的带隙基本原理图可知，（235）将式（234）代入（235）得，（236）由上式可知，给出了输出电压随着温度变化的电路参数G，M和器件的参数E，的函数关系式。因此，如果要使输出电压与温度无关，那么需求输出电压对温OUTVOUTV度的导数来找到使得温度系数为0的G，和M的值。对于（254）式，可以求导FTC得，（237）其中，是当输出的温度系数为0时的温度，是热电压在时刻的值。将方0TFT0TVT0程式（255）整理得，238如此，该等式给出了如果要达到温度系数为0时的电路参数M，和G的器件参数E和的表达式。在原则上，这些参数值都可以由式子（248）直接计算得到。把式子（256）直接代入（254），可以得到更加便于理解的结果，（239）根据上式，我们可以得到，与温度有关的输出电压完全会由一个参数来表述，同时0T是由常数M，E和G来决定的。0T由式子（257）可以得到，在温度系数为0的温度（）下输出电压为，FTC0（240）例如，在27下，假设32，1，则输出电压为，C（241）因为硅的带隙电压1205V,所以有，0GV（242）TONBEOUTVVLL0ETTGOUTLNLN000EDVOUTLNLN0EGMLN100TVTGOUT0TGOUTV00250TGCTOUTVVCTOUT2611250所以，零温度系数时的输出电压和硅的带隙电压接近。将式子（257）对温度求导数，得（243）等式（261）以温度的函数给出了输出的变化曲线。当时，上式的对数项内的自变量大于1，因此此时对应的曲线的斜率为正。0T于此类推，在时斜率为负。当温度在附近时，会有T0（244）所以可以得到（245）如上的式（262）和（263）所示，输出的温度系数当在时为0。因此可以得T到这样一个结论输出电压是加权的热电压和基极发射极电压的和。因为基极发射极的电压的温度系数并不是常数，所以增益M可以通过在某一温度下使得输出的温度系数为0而得到。换而言之，热电压就是为了用来抵消基极发射极电压对温度的线性的变化关系。因此，这种用带隙基准源电路来补偿这种非线性被称作为曲率补偿。24对电源不敏感的偏置回到图27中的简单的镜像电流源，将输入的镜像电流源用电阻代替，并且忽略了有限的和的影响，那么可以得到输出电流为，FAV（246）假如远远的大于，这个电路的缺点，就是输出的电流与电源电压成一定的比例。CONBE例如，如果，且这个镜像电流源被用于了一个与310V的电压范围内的电ON70压源，这个电压源有函数的运算放大器，则偏置电流就会超出范围的1/4，而电压源的功耗会超出1/13。有一种方法可以测试偏置电路这方面的性能，即通过测试电源电压的细小变化而引起的偏置电流的细小变化。描述的输出电流随着电源电压变化最有效的参数就是S（敏感度）。在描述电路中的变量Y对于参数X的敏感度，我们定义如下LNLN100TVVTVDTOUTT0LN0VDTTOUTRVIONBECINOUT（247）将式子（265）应用于计算输出的电流对于电源电压的敏感度，这种微小的变化可以得到，（248）输入的电压在双极型的电路中，被称作，而在MOS电路中被称作为。如果SUPVCVDV图27的远远的大于，则CONBE（249）式子（249）中，表明了图27简单的镜像电流源的输出电流很大程度上会取决于输入的电压。因此，这种电路就不能够用于那种很重视敏感系数的场合。接下来看看图28的双极型WIDLAR电流源，由图28可知，输出电流由下式决定，（250）详细计算过程的见后面文章有关于镜像电流源的计算，这里不再细述。为了确定输出的电流对于输入电压的敏感度，可以将式（250）对做微分，可以OUTICV得到；（251）微分后，得（252）解方程得为COUTVI（253）将式（253）代入式子（248）得到（254）XYSXY0LIMSUPSUPISOTTIOT1SUPOTIVS2LNRIVOUTTITCOUTOUTINCTVIRIV2LCOUTCOUTTINCIOUTINTTIIII221CINIOUTTTCOUTVIRIVI12INCOUTCIVTOUTCINITOUTIVSRVIRIS2211如果，则，且对于的敏感度是一定的。例如，如果ONBECV1RVICININICV1MA，且274，由式（248）得INIAIUT52K（255）这样，电源电压每变化10就会导致输出电流变化16。OUTI本章小结本章内容首先具体介绍了直接采用电阻和晶体管分压的基准电压源，然后介绍了有源器件和电阻串联所组成的基准电压源，接下来介绍了双极型三管带隙基准源、双极型二管带隙基准源。随后分析了的温度特性，最后分析了对温度和电源不敏感的偏置。BEV通过以上的介绍，了解到对于双极型三管能隙基准源，在选定的温度为后，只要适0T当的设计电阻和饱和电流的比例，就可以使得在该温度下基准电压的温度系数接近为0，这种基准电压的值接近于材料的能隙电压，所以称其为带隙基准。在工艺上，0G的值和电阻的比值相对容易控制，因此这类电源的输出基准电压可以调得较准。对BEV于双极型的二管带隙基准源，和三管的类似，可以通过有效的控制发射极面积比例和电阻的比值关系来获得零温度系数的基准源。因为它们的控制相对容易，所以只需要精确的修正一个电阻值（用离子注入电阻改变注入剂量，或者用金属膜电阻采用激光修正阻值的工艺）即可以精确控制基准电压。从以上的讨论中，我们可以看出，在双极型REFV的电路中，基极射极的压降是个很重要的参数，它随着温度的变化而变化明显，带隙基准源就是运用合理的电路设计，通过补偿随着温度变化而对输出电压的影响，来BE获取接近零温度系数的基准源。1602371MISCOUTTIVOUTC3高精度可调式精密稳压集成电路TL431的工作原理与运用TL431是美国的德州仪器公司开发的一个具有良好的热稳定性的三端可调精密稳压基准集成电路，它的全称为可调式精密并联稳压器或者又叫三端取样集成电路。该芯片犹如上个世纪70年代生产设计的555芯片一样，质优价廉，参数性能良好，性能稳定可靠，因此具有广泛的应用前景。随着电子技术的不断发展，电源技术在不断的完善和提高。集成电路TL431继续发挥着它独特的作用，它使用方便，可以用于线性稳压电源，它激励型稳压电源，自激型稳压电源中。与其它的器件可以巧妙连接，构成功能强大的实用电路。现在TL431已经成为用途非常广泛，知名度相当高的通用集成电路之一，越来越受到电路设计者的亲睐。31精密稳压器TL431的内部结构TL431是由若干个电阻、双极型晶体管、电容和二极管组成的。具体如下图Q6R9800C120PFR1110KD2Q3Q2Q720PFC2R61KD1R472KR74KQ9Q10R2328KR5800R8800Q11R324KR10150Q1Q5Q4Q8图31TL431的内部结构示意图32TL431的工作原理与参数TL431是美国德州仪器公司开发的一个三端式集成电路，属于可调式稳压器，它也可以称为三端式并联调整稳压管。如下图是TL431的电路符号，它的三个引出端分别为阳极、阴极、参考极。可以从电路的符号的画法可知，其阴极与阳极之间的输出电压是由参考极决定的。TL431在功能上相当于一只低温漂可变的稳压二极管。在集成块内部有一个25V的精密稳压基准源，通过两只外接电阻，其稳压值可以在25V至36V之间连续可调，输出的电流可以达100MA。利用这一特性，可在数字电压表，稳压电源、电源保护、运算放大等电路中设计出更多独特的电路。由于TL431与其它器件的巧妙连接，还可以制造出其它的功能实现电路。321TL431的具体工作原理TL431有三个引出的脚，分别称为阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）、参考极（REF），应用中将这三个引脚分别用K、A、R表示。其中，K为控制端口，A为接地端口，R为取样端口。有些电路图中会用阿拉伯数字1、2、3分别代表R、A、K。TL431有两种封装方式一种为T092封装，它的外型和小功率的塑封三极管一样；另外一种为双列直插8脚塑封结构。阴极（K）参考极（R）阳极（A）图32TL431的电路符号根据TL431的内部结构图可知，它是由多级放大电路、偏置电路、补偿电路、保护电路等组成。其中V1、V4、V10、V11构成了放大电路；V2、V3、V8、V9构成了基本的稳压基准；V5、V6构成镜像电路，起直流移位的作用；两个电容起稳压和补偿的作用；二极管起保护电路的作用。在原理上，TL431是一个单端输入，单端输出的多级直流放大器。它的等效功能框图如下所示，图33TL431的等效功能图由一个25V的精密基准电压源，一个电压比较器和一个输出开关管等组成，参考TL431KV_RVREF25VA端的R输出电压与25V的精密基准电压源相比较，如果R端口的电压超过25V时，那么TL431立即导通，因为R端口控制的电压误差为1，因此R端能够较为精确的控制TL431的导通与截止。3211基准电压源电路的介绍基本的基准电压源电路如下图所示图34基准电压源电路假如Q1、Q2、Q3三个管子的特性相同，那么，根据题意得，23RVBERFQ1和Q3的集电极电压相同。即因为可以由下式确定，LN1233QKTVBERFCI，,利用两管的基极射极之间的电压221IVEBEB220EECIBEV（约几十毫伏）可以控制输出电流的大小。由于的数值小，利用阻值不大的R3BEV就可以获得微小的工作电流。利用PN结的电流方程，可以得到，LN21320CTCIRI其中是热电压，。TVQKTT3212镜像电路的介绍如下图所示，设Q1和Q2的参数特性完全相同，即，由于两2121CEOI管具有相同的基极射极间电压，所以，当BJT的较大时，基极的121,CEII电流就可以忽略不计，因此Q2的集电极电流近似等于基准电流，即BIRFIVCCVREFR1R3R2Q1Q2Q3IC1IC2IC3（31）由上式可以得到，当R确定之后，就可以确定了，也随之确定，常常将看作REFI2CI2CI是的镜像，所以称下图为镜像电流源。REFI图35镜像电流源由于Q2管对Q1管具有温度补偿作用，的温度稳定性也较好，但是基准电流受2CI电源变化的影响较大，故要求电源十分的稳定。镜像电流源适用于较大电流的工作电路中，若需要减少的值，必须要求R的值非常的大，这在集成电路中却难以实现，因2CI此这就需要一定的改进。3213达林顿管的介绍达林顿管又称为复合管，它是将二支三极管适当的接在一起，来组成新的管子，等效的三极管放大倍数为（）两者之积，用于提高双极型晶体管的电流增益。它常21用于功率放大器件和稳压电路中，通常的接法有四种NPNNPN、NPNPNP、PNPPNP和PNPNPN等。如下图达林顿组态，它成为双管复合组态，两个管子的集电极相连，第一个管子的射极驱动第二个管子的基极。由偏置因子控制Q1的发射极电流。三端的复合晶体管可用于代替单独的共射、共集、共基组态的放大器。当用于射极跟随器时，等价于共集共集组态。当用于共射放大器时，除了Q1的集电极连接于输出端而替代电源外，其与RVVIECEBCC20VCCQ1Q2RIC1IC2共集共射连接很是相似。这一改变的作用在于两点一是减小了对放大器输出电阻的影响，因为Q1的产0R生反馈。二是因为Q1的集电极基极电容有输入端连接到输出端，增大了输入电容。由于这些反馈的作用，共集共射组态常用于集成小信号放大器中。达林顿管连接常常参照共集共集和共集共射连接。图36达林顿组态322TL431的特点和参数3221TL431的特点1输出电压最高可达36V；2动态输出阻抗低，典型值为02欧姆；3阴极电流能力为01MA至100MA；4全温度范围内温度特性平坦，典型值为50PPM/；C5噪声输出电压低；6快速开态响应；7ESD电压为2000V；3222极限参数1阴极至阳极的电压；VKA402连续的阴极电流范围；MAI15IBIASQ2Q13参考极输入电流范围；MAIREF1054工作结温；5工作范围温度；CTG7033TL431的典型运用电路331基准电压源电路TL431运用了集成电路技术，它最大的特点莫过于输出电压可调。因此，在直流电源中可以作为高精度、低温漂的可调基准电压，也可以取代一般的串联基准稳压器作为开关稳压器的基准和误差放大部分。由TL431构成的基准电压温漂较小，而且它的负载能力极强，且输出电压连续可调，大概是25V至36V，典型的电路图如下0V图36基准电压源如果R1和R2的阻值是确定的，两个电阻对电路的分压引入了负反馈，若VO增大，则TL431的分支电流就会增大，从而根据欧姆定律，输出电压VO的值就会减小。显而易见，这个深度负反馈必然会在参考点的电压等于基准电压时处于稳定，输出电压，当选择不同的R时，输出电压就会从25V到36V之间变化，REFOV12图中的R3为限流电阻。特别情况下，当R1R2时，那么VO5V。若把R1短路，R2开路，即把R3端与K（阴极）相连接，此时的输出电压VO25V，最适合用于ADC或者其它的DVM作基准电压源。332恒流源电路根据前面的基准电压源电路的分析，器件作为分流的反馈后，参考点的电压始终维持在25V，稳定性非常好。因此当参考端和地之间的电阻恒定时，流过电阻的电流就会恒定。我们利用这个特点，可以将TL431应用在恒流电路中。U1TL431R21KR11KR31KIVCTJ150如下图37所示，由于TL431的典型温度系数为50PPM/，因此输出的恒流温C度特性要比普通的镜像恒流源或者恒流二极管好很多。图37恒流源应用电路此恒流源电路的恒流值只与和外接电阻的阻值有关。此电路适用于灌电流负载，REFV电阻R5为晶体管和TL431提供偏置电流。但是此恒流源电路中没有电流反馈环节，所以当输出电流因某个原因而产生变化时，并不能通过自身的调节作用使得输出的电流近似不变，必须对此电路做出进一步的改进，在此不做阐述。333电压比较器电路下图是一个典型的利用TL431特性构成的电压比较器电路。QBREAKPQ1U4TL431R51KR41KR71KR61KVCCR81KU5TL431IV0V图38电压比较器由电路图可知，此电路的比较电压为（32）当时，那么TL431就导通，且2V。当时，VRVI1522OVVRI1522TL431就截止，且。由于TL431的动态输出阻抗很小。因此电路的输入与输出的波形跟OC踪情况良好。334电压监视器电路下图所示的是利用TL431的参考端对输入电压的鉴别灵敏度高的特性，所构成的一种电池电压监视电路。图39电压监视器图39中的TL431用于电压比较电路，它的内部基准电压是作为比较器的电压，REFVITL431V2R1R4V1RPR3R2521IV调节电位器可适用于不同的电压电池组。当电池正常工作的时候，那么电位器中点PR电位就会大于TL431的基准电压，从而TL431导通，阴极电流经过电阻产生压降，KI2R发光绿色二极管V1发光。此时的电压为2V，两端的电压就会因小于V2的导通KV4R电压，V2就会熄灭，V2为红色的发光二极管。当电池组电压低于正常值时，的中P点电位低于TL431的基准电压并使其截止。升高，则两端的电压大于V2的导通K4电压，使其发光。同理，由于TL431截止，通过的电流减小，使两端电压小于V1的2导通电压而熄灭。34TL431应用所注意的事项1首先，应该注意电流的问题通常情况下，流过TL431电路的最小电流至少应该大于1MA，否则就会失去稳压的特性，最大的电流不宜超过100MA，否则会毁坏TL431。2其次，应该注意功耗的问题。常见封装的TL431，它的最大功耗为0775W。然而，在实际的电路中，TL431的消耗为是输出电压，是通过TL431的电流。OKOVIP,KI因此，在输出不超过775V的时候，TL431才会输出电流为100MA。由于受到了功耗限制的缘故，当输出的电压为15V时，只能输出50MA的电流。3再次，应该防止TL431发生振荡的问题。当TL431的输出接有负载电容时，且电容的容量在001UF至1UF之间发生变化，那么此时的电路可能会发生振荡。但是当输出的电压大于15V时，就大于10MA，此时就可以完全避免振荡的发生。KI4最后，应该注意取样电路的电阻选取问题。取样电路的电阻如何选取以及如何布放，这是必须得考虑的因素，因为它们会直接会影响到稳压精度和温度特性。因此考虑到这些因素后，就必须要选取噪声小、功率裕大、温度系数小的同型号精密电阻。本章小结本章内容主要介绍了TL431的基本电路的组成，工作原理以及它的应用电路。通过对TL431电路的详细介绍，得知在原理上，TL431是一个单端输入，单端输出的多级直流放大器。此外也进一步了解并掌握它的基本特性和广泛的应用性。4高精度可调式精密稳压电路TL431的仿真41CANDENCE以及SPECTURE仿真器的介绍CADENCE提供了为我们一个非常大的EDA软件包，其中包括以下的内容ASIC设计（全定制的IC设计工具VIRTUOSOSCHEMATICCOMPOSERHE和电路仿真工具ANALOGDESIGNENVIROMENT）、FPGA设计和PCB设计。在模拟电路仿真分析、电路图的设计、自动布局布线以及版图设计验证方面具有很强的优势，深受广大技术人员的欢迎。SPECTURE是一个很重要的电路模拟器，它非直接的继承了SPICE（SIMULATIONPROGRAMWITHINTEGRETEDCIRCUTEMPHASIS）。SPECTURE仿真器不仅仅能够更加快速的、更好的收敛性支持现有的SPICE分析，而且还能够提供许多额外的功能。通过将SPECTURE仿真工具引入集成电路设计的模拟仿真分析中，好处远大于一个强大的分析工具本身。经过多年的作为CDSSPICE（CADENCE早起的SPICE类仿真工具）仿真工具以外选项之后，SPECTURE已经完全被集成在CADENCE下的AMS设计环境下。它作为仿真环境下标准的模拟电路仿真工具，为其提供SPICE仿真，具有直流（DC）、瞬态（TRAN）、交流小信号（AC）等标准分析功能，也能够提供基于工艺参数的灵敏度（SENSITIVITY）、蒙特卡洛（MONTECARLO）的分析，还有基于电路拓扑（无源参数）的仿真分析，以及其它的重要电路分析功能。42整体电路的仿真421直流特性仿真下图为基准电压源电路，把TL431的阴极与参考极短接，外接一个200的电阻，8V的直流电源。当TL431导通后，输出电压不随电压的增大而改变，也不随着负OUTV载电阻的改变而改变。因此，输出电压理论上应该等于25V。TQ6R9800C120PFR1110KD2Q3Q2Q720PFC2R61KD1R472KR74KQ9Q10R2328KR5800R8800Q11R324KR1200R10150V18VDCQ1Q5Q4Q8REFVB图39阴极与参考极短接基准电路接下来，对上述的完整内部电路进行SPECTURE仿真验证。下述的电路图TL431阴极与参考极短接的简化模型图310阴极与参考极短接基准电路通过对以上的电路图进行仿真分析，在温度为27，电源电压VDC为8V时，设电源C电压V为变量，从0到8V之间进行变化，直流仿真分析结果如下图V18U1TL431R1200图311输出电压和输入电压的关系曲线通过上图，可以得出由于把TL431的阴极与参考极进行了短接，则当TL431导通后，输出电压趋于平稳，保持在25V左右，从而实现了基准稳压，符合设计要求。422瞬态特性仿真图310为基准电压源电路，为了简单