TL431中基準(zhǔn)補(bǔ)償電路 - 全文

　　引言

　　TL431是美國(guó)德洲儀器公司（TexasInstrument）開(kāi)發(fā)的一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路，它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5V）~36V范圍內(nèi)的任何值。目前是市場(chǎng)上應(yīng)用比較廣泛的一種穩(wěn)壓器件。其內(nèi)部有一個(gè)帶隙基準(zhǔn)源，它的溫度穩(wěn)定性和基準(zhǔn)的精準(zhǔn)度將會(huì)影響到整個(gè)器件的性能，因此具有一個(gè)高性能的基準(zhǔn)源對(duì)整個(gè)器件性能的影響非常大。

　　1、溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)源

　　圖1TL431原理圖

　　本電路中采用了一種比較精密的基準(zhǔn)源（見(jiàn)圖1），與傳統(tǒng)的待隙基準(zhǔn)電路相比較，該電路增加了非線性的溫度補(bǔ)償，這里的非線性包括指數(shù)曲率補(bǔ)償和二階補(bǔ)償。如圖2所示，為電路帶曲率補(bǔ)償?shù)脑韴D。

　　圖2曲率補(bǔ)償基準(zhǔn)源

　　如圖2所示，電阻R3和R2具有相同的電壓值，其電阻值比例關(guān)系為：R3∶R2=3∶1，通過(guò)這兩個(gè)電阻的電流分別是I3，I2，且其大小比值為1∶3。電阻R1的電流是電阻R3和R2中流過(guò)的電流之和：I1=IR+I2。

　　其電路基準(zhǔn)源表達(dá)式：

　　Vref=Vbe1+Vbe3+I1R1+I2R2（1）

　　根據(jù)KVL方程可以計(jì)算出電路中流過(guò)電阻R3的電流，又因?yàn)镮b=Ic/β，其中β是晶體管的電流增益：

　　I3=βVTlnM/（R5+（β+1）R4）（2）

　　式中：M是電路中Q3和Q4的發(fā)射區(qū)的面積比，根據(jù)I3可以求出電流I1和I2，最后得出基準(zhǔn)電壓的表達(dá)式為：

　　在上式中，Vbe和β均是關(guān)于溫度的變量，其表達(dá)式如下：

　　式中：α，γ為與工藝相關(guān)但是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)；Vg0和Vbe硅的能隙電壓和硅的基極發(fā)射極電壓。將式（4），（5）帶入式（1）中，得到基準(zhǔn)電壓關(guān)于溫度的表達(dá)式：

　　式中：A，B是常數(shù)項(xiàng)；K1，K2可以由電阻調(diào)節(jié)得到，如上述公式，基準(zhǔn)電壓有3部分組成，常數(shù)項(xiàng)，一次項(xiàng)，非線性項(xiàng)，設(shè)線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)分別為：

　　對(duì)于一次項(xiàng)，調(diào)節(jié)電阻R4，使得K2≈A，就可以得到補(bǔ)償。從表達(dá)式（8）中，可以看到兩條曲線的曲率一個(gè)為負(fù)，一個(gè)為正，這樣就會(huì)得到一個(gè)正負(fù)溫度的補(bǔ)償，其中選擇調(diào)節(jié)電阻R5，使得y2的曲率近似等于y1的曲率B，這樣就可以得到非線性的溫度補(bǔ)償。下面圖3是對(duì)修正后電路模擬仿真的到結(jié)果。

　　圖3TL431基準(zhǔn)電壓的溫度特性曲線

　　表1Vref仿真結(jié)果隨著溫度變化的溫度指標(biāo)

　　計(jì)算電壓溫度系數(shù)為：γT=ΔVref/Vref·（1/ΔT）=24.77ppm/℃。

　　經(jīng)典的TL431的溫度系數(shù)為50ppm/℃。而改進(jìn)后的基準(zhǔn)的溫度系數(shù)只有24.77ppm/℃，與其相比較，基本上降低了一半，所以說(shuō)，這個(gè)電路更具有一定的使用價(jià)值。

　　2、誤差補(bǔ)償基準(zhǔn)源

　　在帶隙基準(zhǔn)電路中，除了溫度的影響外，還有許多因素會(huì)影響基準(zhǔn)電壓的精確性，例如：晶體管Q1，Q3的基極?發(fā)射極電壓偏差、電阻R1/R4和R2/R4匹配誤差、電阻自身偏差和晶體管Q3，Q4的匹配誤差，這些誤差源引起的基準(zhǔn)誤差表達(dá)式如下：晶體管Q1，Q3的基極?發(fā)射極電壓偏差是晶體管自身在生產(chǎn)中存在的工藝缺陷，其大小為△Vbf=±24mV。在基準(zhǔn)表達(dá)式（1）中，得出其引起的基準(zhǔn)誤差為：

　　ΔVref=-2ΔVbe=±48mV（9）

　　基準(zhǔn)源是由晶體管Q3，Q4的匹配構(gòu)成的，它們之間的失配是因?yàn)榘l(fā)射結(jié)面積失配，會(huì)引起晶體管的基極?發(fā)射極電壓變化ΔVbe和集電極電流的變化ΔI，發(fā)射結(jié)面積失配比例誤差δNPN=2%，其引起的基準(zhǔn)誤差為：

　　電阻自身偏差會(huì)引起電路中電壓和電流發(fā)生變化，導(dǎo)致基準(zhǔn)源產(chǎn)生誤差，其中電阻自身偏差率δRA=20%［9］，其引起的基準(zhǔn)誤差為：

　　ΔVref=-2VTδRA=-10mV（11）

　　電阻R1R4和R2R4匹配誤差是由于在畫電路版圖時(shí)候，電阻之間失配引起的，其電阻匹配誤差率是δRR=2%，其引起的基準(zhǔn)誤差為

　　以上式（9）~（12）誤差源引起的基準(zhǔn)的均方誤差值為±55.71mV，這些誤差不可以忽略不計(jì)，其誤差源范圍是111mV。為了獲得更加精確的基準(zhǔn)，通過(guò)采用加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些誤差源進(jìn)行補(bǔ)償。其原理是電路在調(diào)整誤差的時(shí)候，選擇合適電阻段上的壓降，熔斷熔絲進(jìn)行補(bǔ)償。電阻段的選取是2進(jìn)制加權(quán)，即：R，R2，R4，R8，這樣是用來(lái)均勻的分配微調(diào)范圍，也擴(kuò)大了微調(diào)范圍，得到高精度調(diào)整。加權(quán)電阻值分別為：316Ω，158Ω，78Ω，39Ω。從加權(quán)修調(diào)網(wǎng)絡(luò)電路版圖4中可以看出，其電路圖如圖1所示，因?yàn)闇p少了電阻的接觸孔，實(shí)際電阻值增加了，所以這些電阻上有額外電壓，其值分別為：60mV，30mV，14mV，7mV。這些電阻上的所有額外電壓的總和就是補(bǔ)償電壓trim范圍。

　　圖4加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)版圖

　　在室溫下，采用上述加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)TL431器件進(jìn)行測(cè)試，它的基準(zhǔn)典型輸出為2.495V。對(duì)33560個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)試，未調(diào)整前，測(cè)試參數(shù)如圖5所示，典型值為2.405V，最大值為2.510V，最小值為2.330V。通過(guò)加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)，熔斷適當(dāng)?shù)娜劢z，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整，得到參數(shù)見(jiàn)圖6，典型值為2.495V，精度指標(biāo)為±0.5%條件下，即基準(zhǔn)范圍在2.483~2.507V內(nèi)有32261個(gè)芯片，良品率達(dá)到96%。如果精度指標(biāo)為±0.2%，基準(zhǔn)范圍為2.490~2.450V，良品率達(dá)到78%。

　　3、結(jié)語(yǔ)

　　本文主要是對(duì)TL431集成電路基準(zhǔn)源部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償和誤差源補(bǔ)償，在溫度補(bǔ)償時(shí)，采用了曲率補(bǔ)償方法，通過(guò)調(diào)節(jié)電路中的電阻部分將基準(zhǔn)中源中的線性部分和非線性部分補(bǔ)償分別補(bǔ)償，通過(guò)仿真結(jié)果看到該基準(zhǔn)的溫度系數(shù)降低基本一半左右，滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)。在誤差源補(bǔ)償中，通過(guò)計(jì)算各個(gè)誤差源帶入基準(zhǔn)的誤差，計(jì)算出調(diào)整的trim范圍，采用加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電路進(jìn)行修調(diào)，通過(guò)實(shí)際參數(shù)修正結(jié)果可以得出，高精度指標(biāo)為±0.5%的時(shí)候，器件的良品率達(dá)到96%，滿足電路高精度指標(biāo)。