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1、TL431 电路原理及频率特特性的研究电路原理及频率特特性的研究 许剑伟 2008-1-1 莆田十中 TL431 是一种高精度、低温漂电压基准器件，目前已得到广泛应用。TL431 具有很高的 电压增益，实际应用中易发生自激等问题，造成许多困惑，本文系统分析 TL431 的内部电 路，并给出利用计算机分析计算的方法，使设计人员对关于 TL431 电路的稳定性有准确的 整体把屋。 一、基本参数估计 （1）静态电流分配： TL431 的最小工作电流为 0.4mA， 此时 V10 基本上没有电流 （取 0.03mA， be 压降 0.6） 。 V9 射极电流为 0.6V/10k=0.06mA。 设 V
2、3 的 be 压降为 0.67V ，V1、V2 的集电极电压均为 0.67V，所计算时把 R1、R2 看 作并联， ，则算得 V3 射极电流为(2.5-0.67*2)/(3.28+2.4/7.2)=0.228mA。 剩余电流 0.4-0.228-0.06-0.03=0.52mA， 提供给 V7、 V8 电流镜， V7、 V8 各获得 0.04mA。 V4、V5、V6、V7、V8 工作电流均为 0.04mA。 （2） 假内部三极管的 fT 值为 100200MHz， 当工作电流小的时候 fT 为 10100MHz， 由此间接估计三极管内部的等效电容。cb 结电容均假设为 12pF。V4、V7 、
3、V8、V9 等 三极管工作电流小，所以 fT 要小很多（结电容为主，扩散电容较小） 。 （3）V4、V5 工作电流较小，通常小电流时电流放大倍数也较小。设 V4 的放大倍数为 50 倍左右。 （4）为方便计算，设 V9、与 V10 的电流放大系数相同，V9、V10 与电流增益直接相 关，它们的放大倍数可由 TL431 数据表间接计算出来。 注 1：晶体管的低频放大倍数与直流放大倍数是不相同的，静态工作电流小时二者相差 不大，静态电流大时二者可能相差很大，具体与该晶体管的特性有关。 二、TL431 带隙基准电压产生原理 带隙基准产生的原理不是本文要阐述的主要问题，但 TL431 内部的基准电路与
4、增益和 关，所以有必要对其分析。 1、Vbe 压降在室温下有负温度系数约 C=-1.9 至-2.5mV/K，通常取-2mV/K，而热电压 UT=DT 在室温下有正温度系数 D=0.0863 mV/K，将 UT 乘以适当倍率并与 Vbe 相加可大大 消除温度影响。 注：UT=KT/q，式中 K 为波尔兹曼常数，T 为绝对温标中的温度，q 为单位电荷，常温 下 UT=26mV。 2、正温度系数电压基准的产生： （1）I2 的性质： e2Tre 1s2 2s1 e2 1s2 2s1 Tree22be1bere s Tbe T be s T be s RIaUU II II lna RI II II
5、lnUURIUUU I I lnUU U U eI) 1 U U e (II: = = = ，则令 即可得到等式 考虑二极管方程 Is1、Is2 与温度有关，但它们的比值基本上与温度无关，当 I1/I2 为常数，则 a 为常数， 那么 Ure、I2 与热电压 UT 成正比，因 Ud2 与 I2 成正比，所以 Ud2 也与 UT 成正比，Ud2 成为正温度系数的电压参考。Ube 是负温度系数的电压参考，U 是 V1、V2 极电极压差， 那么 Ur=Ube+Ud2+U，适当调整 R2 可使得 Ube 与 Ud2 温漂相互补偿，得到零温漂电压 参考 Uref=Ube+Ud2，Uref 是一个特殊的内
6、部电压参考，在电路中被分为二部分，中间被 U 隔开。适当调整 Ur，可使得U=0，此时 Ur=Uref，反之，当 UrUref 时，U0。可 见通过U 可察觉 Ur 是否与内部的 Uref 相等。通过深度负反馈电路调整 Ur，容易使得 U=0，Ur=Uref，实际应用中，电路可能是浅反馈的，甚至是开环的，U 不一定为零，此 时 Ur 与 Uref 存在一定的差值， 设差值为 Ui， 通过分析 I1 与 I2 的微变关系可得到 Ui 与U 关系。 TL431内 部 的 电 压 参 考 模 型 可 理 解 为Ur=2Ube1+UR2+UR3+ U ， Uref= 2Ube+UR2+UR3 Uref
7、 实际上是外推禁带能隙电压，外推到 T=0 时，Ud2=0，则 Uref=Ube。 （2）I1 与 I2 的微变关系： 设电路中 V1、V2 的 be 结微变电阻为 r1、r2 )a1 ( I I I I r rI I )a1 ( I U I UaU R I U r I U r I U I U R 0 20 2 10 1 2 11 2 0 20 T 20 T0T e 20 T 2 10 T 1 o T + = = += + =+= = = 得又由 ，所以 二极管的微变电阻 可见当 I1 发生变化时， I2 会跟着发生变化， 但二者变化率是不相同的。 因此 I1 变化时， Ud1 与 Ud2 电
8、压变化率也不相同，如果 Ud1、Ud2 的初值相同，当 I1 变化时，Ud1 与 Ud2 将因变化率不同而产压差。微变电阻反映电压与电流的微变关系，并不反映温度与电流、电 压的微变关系，所以温度引起的 I1、I2 变化不满足上一等式，实际上温度引起的 I1 变化不 会造成 I1、I2 变化率不同，如果 I1 的变化是 Ur 引起的，那么上式成立。 空载时压差：a1 a RIRIRIU 112211 + = 对于图（1） a1 a rR RU a1 a RIU 11 1i 11 + = + = 图（2）计算麻烦一些，但结果类似，压差比图（1）的要小一半多。 可见 a 值越大压差越大。a 值也不是
9、越大越好，当 a 值大于 2 以后，压差增加不明显， 而 a 值增大，意味关 I2 要减小很多（二者存在指数关系） ，对比较器的输入阻抗要求很高。 通过调整 Re 可改变 a。实际电路是有负载的，产生的压差要小一些。 3、温度补偿的计算： 对于 TL431，设 Ube1+Ube2 的温度系数为-2*2=4mV/K，下文计算表明，由于电流变化 造成 V1、V2 的 be 结分别多产生 0.0863mV/K 的正温度系数补偿，Ube1+Ube2 的实际温度 系数为(2-0.0863)*2=3.83mV/K，那么需 3.83/0.0863=44.4 个 UT 进行温补偿，因此 Ud=44.4*26m
10、V=1.154V ， 此 时 若 有Ube1+Ube2=1.34V ， 则 基 准 电 压 为 1.34+1.154=2.494V=Uref。电路中适当控制 Re 与 R1、R2、R3 的比例关系可使得 Ud 上电压 为 44.4*UT。 （1）be 结压降与温度的关系： 当温度变化时，电路中通过负反馈保持 I1 与 I2 的比值不变，但 I1 与 I2 的绝对数值却 改变了，造成 PN 结电压发生变化，另一方面即使电流不变，温度的变化也将直接造成结电 压变化： 2ebe 200Te2eT 200T 20 2 0Tbe2 0 0T bebe be s Tbe IaRTCU I /aURIRaU
11、 2VIU I I UTCUII I I UTCI I U T T U U I I lnUU += = += += + = 所以 因 的射极电流压与指温度未变化时的热电与 相同或是正比关系那么与如果 取偏微分得由 用该算式运算不太方便，可适当变换： += = 2 . 1TDTCU 1 . 1T R aD IaDTaUIR be e 2T2e 式代入得 式 L L 选取适当的 a 完成温度补偿： 75. 1a0R4R3a/ ) 1D/C(R2 0T)R/aD)(R4R3(T)DC(22 . 11 . 1 0I)R4R3(UUU I )R4R3(UUUR)II (RIUUU 31e e31 231
12、3be1ber 231bee1ber321113be1ber =+ =+ =+= +=+= ，算得即 代入得与式式 消时，正负温度漂相互抵得 从上式看到当 a 确定后，精确调整 R1、R3 可使上式成立。 4、基准极电压变换为电压差信号： 内部参考电压是 Uref=2.5V，当 Ur 偏离 Uref 时，将在 V1、V2 的集电极产生不平衡电 压。设输入偏离量为 Ui，输出量为U=Uo2-Uo1。 电路中 V1、V2 的 be 结等效为电阻 r1、r2，I1、I2 是微变电流，为了书写方便，微变 电流不再使用符号： 上文已得到： + = + = += 集电极压差）与（ （变化比率不同） ， 2
13、V1V a1 a RIU )a1 (R R II R I U r152 I U r 11i 2 1 12 e 20 T 2 10 T 1 又有： 138. 7 R )a1)(rRR( R R K KR )a1 (U I)rR(IR)II (U 1 131 2 3 1 i 1111321i = + += + =+=，式中 代入压差算式得 =+= = + = = i1i1o2o i3ii 1 1 111o ii UPU269. 0UUU UPU0244. 0U KR )a1 (r rIU U245. 0U K a U R1 不能太小，否则 K 值过大，U 变小。 如图利用叠加定理求 Uo2 端的输
14、出内阻，Ui 接地，I2 是受控电流源，不能去掉： = + = = + = + = = + = k1 . 8 I068. 1 U II U R I0682. 0 )a1 (R R III5624. 0 rRR R II k635. 8 U RR/)rR( U I o2o b o 2 1 12o 131 3 o1 2311 3 ， 经以上计算得到输出信号为 Uo2-Uo1Uo2，输出信号为输入信号幅度的 25%，Uo2 的 输出内阻为 8.1k，幅度减少的原因是 V2 三极管不起电压放大作用，而信号经几个电阻后变 小了，不过电路的频率特性良好。 三、电流放大过程： V3 的放大倍数：V3 的静态
15、工作电流是 0.26mA，从数据表中查得基极电流（Iref）为 2uA，因此 V3 的放大倍数约为 0.26mA/2uA=130 倍。 放大器的夸导：如上图 TL431 输入阻抗高，输出则以恒流源方式输了，所以有必要计 算跨导。当 Uo 不变，Ui 变化将引起 Io 变化，跨导 g=|Io/Ui|。该值表示输入电压对输 出电流的控制能力。g 与数据表中的动态电阻有关，动态电阻 r=|Uo/Io|。数据表中给出 参考极与阴极连接时的动态电阻为 0.2 欧，远小于 ro（约为 200 欧）因此流经 ro 的电流可 忽略，此时 Uo=Ui，所以 g=Io/uo=1/r=5A/V。g 值的大小与电路内
16、部 V9、V10 三极管 的放大能力有关。误差信号 Ui 经 V3 射极跟随器（无电压增益） ，再经 R3、R1、R2、V1、 V2 等基准生成相关电路衰减为 0.283Ui，再送入 V4 进行放大（以电流源方式输出） ，V4 与 V6 接成共基共射电路，使得 V4 集电极静态电压稳定在 1.2v 左右，可大大减小 V4 的 集电极电流受阴极电压改变的影响， 这样的设计是必要的， 因为 V4 存在 bc 结等效电阻 （阻 值很大） ，由它产生的附加电流经前级内阻分流后仍有 1020%进入 V4 的基极，再经几十 倍的放大后产生很大的电流偏差，所以 V4、V6 的组合使用显得非常必要，另外 V5 的集电 极电压也稳定在 1.4v 左
