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采用TL431基準(zhǔn)的壓控振蕩器

作者: 時(shí)間:2016-12-09 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  TL431為三端可編程并聯(lián)穩(wěn)壓二極管,其電壓基準(zhǔn)如同低溫度系數(shù)的齊納管一樣運(yùn)行,通過兩個(gè)外部電阻就可從2.5V編程到36V。同時(shí),該器件顯示出寬工作電流范圍,在典型阻抗0.22Ω時(shí)為1.0mA~100mA。這些基準(zhǔn)的特性使它們能在數(shù)字電壓表電源和運(yùn)放電路等許多需要精密電壓基準(zhǔn)的應(yīng)用中代替齊納二極管?,F(xiàn)在,該器件被廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/328417.htm

  在電源電壓輸入和電容負(fù)載等特定條件下,TL431會(huì)顯示出不穩(wěn)定性,引發(fā)10kHz~1.5MHz的持續(xù)振蕩(頻率大小取決于對(duì)輸入電壓的控制)。其中一部分原因是,在上述條件下存在負(fù)阻區(qū)。在本設(shè)計(jì)實(shí)例中,不穩(wěn)定性既不是由內(nèi)部?jī)蓸O引起的,也不是由與負(fù)載電阻串聯(lián)的外部電容器的第三極引起的。增設(shè)了單晶體管輸出級(jí)提供緩沖,使整個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生TTL輸出電平(圖1)。

  

  壓控振蕩器的運(yùn)行

  要想了解振蕩器的運(yùn)行原理,需從兩個(gè)方面來考量電路:第一是TL431電壓基準(zhǔn)的底層操作。如圖2所示的振蕩器等效電路。電流I1(見圖3)是壓敏恒流,其大小約為(VCTRL-VKA)/R(VKA為齊納電壓)。假定開始的時(shí)候電容器不帶電(此時(shí)VKA=0V),然后由來自I1處的電流為電容器逐漸充電,直到使電壓達(dá)到TL431的均衡值,即:VKA=2.49V。只要充電電流存在,電容器就會(huì)繼續(xù)充電。圖2中對(duì)電路的瞬態(tài)模擬顯示了電容器電壓僅需超過VKA均衡值若干微伏,以啟動(dòng)均衡恢復(fù)反饋,具體細(xì)節(jié)如下:

  

  由于Q1的基極直連電容器,因此VKA值的增加會(huì)使Q1的發(fā)射極電壓(也就是Q11的基極電壓)值變大,迫使Q11進(jìn)行更多動(dòng)作。晶體管Q9和電阻 R8構(gòu)成Q11的集電極負(fù)載。Q11中不斷增加的集電極電流會(huì)使Q9的集電極電壓降低。Q9和Q10同為電流鏡的組成部分,因此它們的集電極電流和Q11 的相同,但Q10的動(dòng)態(tài)集電極負(fù)載由Q6構(gòu)成,其通過R5從第二電流鏡(由晶體管Q2、Q4和Q12構(gòu)成)處獲得基極電流。因?yàn)樵撾娏麋R的配置,Q1射極電壓的最初增長(zhǎng)同樣促使VBE升高。這就使Q6的集電極電流增加,進(jìn)而增強(qiáng)Q10不斷增加的集電極電流。因此,產(chǎn)生的整體影響是其集電極電壓值升高,該電壓也就是達(dá)靈頓對(duì)(Darlingtonpair)Q7和Q8中第一晶體管的基極電壓,迫使Q8進(jìn)行更多動(dòng)作,導(dǎo)致其集電極-發(fā)射極電壓(VCE,實(shí)際上就是VKA)驟降。在這一特殊應(yīng)用中,連接至電容器的基準(zhǔn)終端(R)使用硬線連接至陰極端子(K)。因此,迄今為止,當(dāng)電容器電壓超過均衡值時(shí),器件可促使陰極-陽極電壓迅速降低,以恢復(fù)至均衡值。

  

  圖 3以結(jié)構(gòu)示意圖的形式顯示了當(dāng)TL431器件的內(nèi)部均衡值受到干擾后,持續(xù)振蕩是如何開始和增強(qiáng)的。電容器中的電流為小恒流,源于供應(yīng)電流I1。在圖1 中,該充電電流為I3。當(dāng)電容器的值超過VREF的均衡值時(shí),電流I2快速流動(dòng)并有效地吸收電容器中儲(chǔ)存的充電電流。I2存在的時(shí)間較短暫,但卻足以使電容器電壓再次降低至均衡值。接下來,I1會(huì)再次為電容器充電,在這一周期中會(huì)保持穩(wěn)態(tài)振蕩。由于電容器的放電時(shí)間極為短暫,通過以下計(jì)算公式可以得知放電期間的電流要遠(yuǎn)大于源電流I1:I=ΔQ/Δt(其中ΔQ是充電階段電容器所獲得的充電電流)?! ?strong>充電與放電時(shí)間估算

  由于充電和放電電流為已知量,可得出充電期間獲得的電荷及流入TL431輸出極的電荷的近似表達(dá)式。在穩(wěn)態(tài)振蕩(類似于兩步斗鏈?zhǔn)狡骷倪^程)期間,這兩個(gè)表達(dá)式是相等的。也就是說,充電期間獲得的電荷與放電期間損耗的電荷相等。在圖1中,

  

  TL431中IBIAS的值高出VCTRL約260μA。根據(jù)第一性原理,可得出下列微分方程式:

  

  電阻Rs為連接至控制電壓的串聯(lián)電阻。在穩(wěn)態(tài)振蕩期間,對(duì)含VC(從低閾值到高閾值)的微分方程進(jìn)行求解,可得出充電時(shí)間:

  

  放電時(shí)間的估算要稍微復(fù)雜一些,因?yàn)榉烹娛峭ㄟ^動(dòng)態(tài)電阻來實(shí)現(xiàn)的。在放電期間,所獲得的電荷通過有效電阻釋放,而有效電阻的估算方式見后。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在穩(wěn)態(tài)振蕩期間,VKA的值不會(huì)低于1.60V或超過2.74V。仔細(xì)查看TL431數(shù)據(jù)表,圖1展示了諸如二極管等器件的動(dòng)態(tài)電阻是如何變化的。

  該特性為類似二極管的正向偏壓特性,可依據(jù)其功能得出近似值

  

  和正常的結(jié)式二極管不同的是,由于TL431位于帶隙基準(zhǔn)源附近,其電流沒有明顯的溫度系數(shù)。動(dòng)態(tài)電阻計(jì)算方式如下:

  

  依據(jù)數(shù)據(jù)表特征的線性擬合方法可得出R0≈135.9kΩ,α≈2.304V/kΩ。因此,在振蕩區(qū)域,電阻值會(huì)在1.7kΩ~246Ω這一范圍內(nèi)變動(dòng)。在電容性放電的情況下,這就意味著,當(dāng)控制電壓值增大時(shí),放電速度就會(huì)更快,因?yàn)橛行Х烹娡返碾娮柚递^低。因此,預(yù)計(jì)放電時(shí)間將縮短,即:頻率會(huì)隨著控制電壓值的增大而增大。事實(shí)上,這一點(diǎn)是通過實(shí)際使用的振蕩器觀察得出。仿真結(jié)果顯示,放電會(huì)涉及源自電容器的大電流,因此,放電時(shí)間通常極短,可以忽略不計(jì)。

  輸出電流可直接從電容器中獲取,因此在這種情況下有必要采用外部緩沖防止電容器的加載。使用不同的模型對(duì)圖1所示電路進(jìn)行仿真,會(huì)發(fā)現(xiàn)所有模型都呈現(xiàn)一致的振蕩。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,使用了不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的同等設(shè)備,對(duì)TL431A、TL431B、KA431和LM431都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示:盡管這些器件均產(chǎn)生振蕩,但振蕩開始時(shí)的電壓輸入和頻率振蕩的范圍各有所異。此外,這些器件的基準(zhǔn)電壓在2.43V~2.53V這一范圍內(nèi)變動(dòng)。

  據(jù)觀察,圖1中OSC點(diǎn)振蕩器的輸出電壓值隨控制輸入電壓V1的變化而變化,V1值變大時(shí),該輸出電壓也變大。在使用實(shí)際電路中電流的情況下,頻率輸出和控制電壓輸入呈正比,但在使用特定電流的情況下,測(cè)量值會(huì)呈現(xiàn)出和特定控制電壓(區(qū)域1)相同的變化,振蕩的頻率隨控制電壓的增大而降低(區(qū)域2)。對(duì)于線性區(qū)域1,表1給出了元件值及不同測(cè)試器件的頻率范圍和控制輸入電壓值。

  

  盡管在TL431數(shù)據(jù)表中寫明其可吸收高達(dá)100mA的電流,但是在這些實(shí)驗(yàn)中,控制電壓值仍被限定在12V左右,以確保能夠?qū)㈥帢O電流限制在10mA。此外,僅LM431呈現(xiàn)了區(qū)域2的狀態(tài),即:頻率隨著控制電壓值的變大而降低。當(dāng)控制輸入值位于5.20V~7.04V之間且相應(yīng)的頻率值處于 433kHz~602kHz這一范圍時(shí),上述現(xiàn)象才會(huì)產(chǎn)生。此時(shí),C1的值為100nF。根據(jù)數(shù)據(jù)表1,當(dāng)電容值處于10nF~100nF這一范圍內(nèi)時(shí) (與該表中的范圍相同),不穩(wěn)定的現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生(圖3、圖4)。

  

  該振蕩器可應(yīng)用于超低成本的實(shí)驗(yàn)室TTL脈沖發(fā)生器和適用于中波波段的低頻鎖相環(huán)壓控振蕩器。該裝置已成功應(yīng)用于二極環(huán)混頻電路,使AM波段可使用軟件無線電技術(shù)。



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