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1、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
2、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 录1. 绪 论41.1 国内外研究现状与发展趋势51.2 课题研究的目的意义61.3 本文的主要内容72. 基准电压源电路和偏置的电流源电路72.1基准电压源的结构72.1.1 直接采用电阻和管分压的基准电压源72.1.2有源器件与电阻串联所组成的基准电压源82.1.3双极型三管能隙基准源102.1.4 双
10、极型二管能隙基准源122.2 的温度特性142.3 对温度不敏感的偏置142.4 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213.1精密稳压器TL431的内部结构213.2 TL431的工作原理与参数223.2.1 TL431的具体工作原理223.2.2 TL431的特点和参数263.3 TL431的典型运用电路263.3.1 基准电压源电路263.3.2 恒流源电路273.3.3 电压比较器电路283.3.4电压监视器电路293.4 TL431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314.1 Can
11、dence以及Specture仿真器的介绍314.2 整体电路的仿真324.2.1 直流特性仿真324.2.2瞬态特性仿真344.2.3温度特性的仿真344.2.4 电源抑制比仿真354.2.5开环电压增益仿真364.2.6 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（Reference Voltage）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
12、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、
13、齐纳二极管的反向击穿电压等产生的电压。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。1.1 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
14、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
15、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：SOC(Signal Operation Control)主流工艺是CMOS工艺,目前，5V(0.6um)、3.3V (0.35um)、1.8V(0.18um)、1.5V(0.15um)、1.2V(
16、0.13um)、0.9V(0.09um)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1.2V左右，所以一般的带隙基准源的工作电压至少会在1.2V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1.2V左右。然而，对于电源电压低于1.2V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
17、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
18、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PSRR(Power Supply Rjection Ratio，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-3
19、0dB。1.2 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
20、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2.5V的精密基准电压源，通过两只外接电阻，其稳压值在2.5V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。1.3 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
21、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，Vb
22、e=V，它的温度系数 ;（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， =，它的温度系数为 ； (3)等效热电压=26mV，温度系数为。2.1基准电压源的结构2.1.1 直接采用电阻和管分压的基准电压源如下图的2.1基准电压源，它是最基本的也是最简单的基准电压源。 图2.1 （a）用电阻分压的基准电压源 图2.1（b）用管分压的基准电压源 对于图2.1（a），根据题意有： （2.1） (2.2) 其中，表示电源电压幅度敏感系数。对于图2.1（b），根据题意有， （2.3） 其中,，,和分别代表PMOS管的宽长比，NMOS的宽长比。如果是, ，那么它的输出端基准电压电源电压
23、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。2.1.2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。图2.2 电阻与MOS器件串联组成的基准电压源图2.3 电阻与双极型器件串联组成的基准电压源在图2.2中，通过题意计算得出： (2.4) (2.5)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2.4 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
24、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2.4。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。2.1.3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:图2.5
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： （2.6）因此， （2.7）根据题意得基准电压的输出公式： （2.8）其中， （2.9）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： （2.10）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： （2.11） 上式中的=1.205V，是温度在0K时候的硅外推能隙电压。n为常数，它的值与晶体管的制作工艺有关，对于集成电路的双极型扩散晶
26、体管，n=1.522；为参考温度。假设，与温度无关，那么令时的基准电压温度系数为0，即，求得在参考温度附近的时候，基准电压和温度的关系。将式（2.11）代入式（2.10）中，并令其，可得： （2.12） 实际上， 于是， （2.13）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。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， （2.14）因此，把代入式（2.14）得 （2.15）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
27、调得较准。2.1.4 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： 图2.6 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： （2.16）由图可知， （2.17）因此， （2.18）与上述分析的三管能隙基准源相类似，令可以得到： （2.19）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零温度系数的基准源。 （2.20）对于（2.20）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
28、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。例如p取值为1，为10，R2为10K，R1为2K，设 =0.65V，则为1.25V。2.2 VBE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： （2.21）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： （2.22）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有效值， 是单位面积基区的总掺杂浓度。根据爱因斯坦公式，和本证载流子与温度的关系，可以得到： （2.23） （2.
29、24）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，是称为材料的能隙电压。由文献可知， （2.25）式中的=1.205V，是温度为0K时的硅的外推能隙电压；n为常数，它的值与晶体管的制作工艺有关，对于集成电路中的双型扩散管，n=1.52.2，To为参考温度。2.3 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，输出的电流就有可能以和的某些复合电压作为
30、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。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2.10 带隙基准源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，则必须确定的温度系数。通常基极电流忽略不计，那么有 （2.26）其中，饱和电流与器件的结构有关，并且满足公式 （2.
31、27） 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， （2.28）可以将用和描述的表达式。式（2.20）中和温度有关的量满足下列关系式： （2.29） （2.30） 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与掺杂浓度有关。综合以上式子，可以得到： （2.31）其中的E是另外一个和温度无关的参数，并且有 （2.32）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
32、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， （2.33）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， （2.34）由上述的带隙基本原理图可知， （2.35）将式（2.34）代入（2.35）得， （2.36）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度的导数来找到使得温度系数为0的G，和M的值。对于（2.54）式，可以求导得， （2.37）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。将方程式（2.55）整理得， (2.38)如此，该等式给出
33、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（2.48）直接计算得到。把式子（2.56）直接代入（2.54），可以得到更加便于理解的结果， （2.39）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，同时是由常数M，E和G来决定的。由式子（2.57）可以得到，在温度系数为0的温度（）下输出电压为， （2.40）例如，在27下，假设=3.2，=1，则输出电压为， （2.41）因为硅的带隙电压=1.205V , 所以有， （2.42）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（2.57）对温度求导数，得 （2.
34、43）等式（2.61）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。于此类推，在时斜率为负。当温度在附近时，会有 （2.44）所以可以得到 （2.45） 如上的式（2.62）和（2.63）所示，输出的温度系数当在时为0。因此可以得到这样一个结论：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。2.4 对电源不敏感的偏
35、置回到图2.7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， （2.46）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。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： （2.47）将式子（2.
36、65）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， （2.48）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。如果图2.7的远远的大于，则 （2.49）式子（2.49）中，表明了图2.7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2.8的双极型Widlar电流源，由图2.8可知，输出电流由下式决定， （2.50）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（2.50）对做微分，可以得到； （2.51）微分后，得： （2.52）解方程得为 （2.53）将式（2.53）代入式子（2.48）得到 （2.54）如果，则，且