串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電源

一、穩(wěn)壓電源的質(zhì)量指標(biāo)

穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)、輸出電阻、溫度系數(shù)及紋波電壓等。這些質(zhì)量指標(biāo)的含義，可簡(jiǎn)述如下。

由于輸出直流電壓VO 隨輸入直流電壓VI（即整流濾波電路的輸出電壓，其數(shù)值可近似認(rèn)為與交流電源電壓成正比）、輸出電流IO 和環(huán)境溫度T（℃）的變動(dòng)而變動(dòng)，即輸出電壓VO = f（V1，IO，T），因而輸出電壓變化量的一般式可表示為

或

式中的三個(gè)系數(shù)分別定義如下：

輸入調(diào)整因數(shù)

KV反映了輸入電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，實(shí)際上常用輸入電壓變化DVI時(shí)引起輸出電壓的相對(duì)變化來(lái)表示，稱為電壓調(diào)整率，即

電壓調(diào)整率也可定義為：在溫度和負(fù)載恒定條件下，輸入電壓變化10%，輸出電壓的變化，單位為mV。

有時(shí)也以輸出電壓和輸入電壓的相對(duì)變化之比來(lái)表征穩(wěn)壓性能，稱為穩(wěn)壓系數(shù)，其定義可寫為

輸出電阻

Ro反映負(fù)載電流IO變化對(duì)VO的影響。

溫度系數(shù) (mV/℃)

上述的系數(shù)愈小，輸出電壓愈穩(wěn)定，它們的具體數(shù)值與電路形式和電路參數(shù)有關(guān)。

至于紋波電壓，是指穩(wěn)壓電路輸出端交流分量的有效值，一般為毫伏數(shù)量級(jí)，它表示輸出電壓的微小波動(dòng)。（參見前面的知識(shí)點(diǎn)——橋式整流電路的性能分析）

應(yīng)當(dāng)指出的是，穩(wěn)壓系數(shù)g 較小的穩(wěn)壓電路，它的輸出紋波電壓一般也較小。

二、工作原理

圖1是串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路的一般結(jié)構(gòu)圖，圖中VI是整流濾波電路的輸出電壓，T為調(diào)整管，A為比較放大電路，VREF為基準(zhǔn)電壓，它由穩(wěn)壓管DZ與限流電阻R串聯(lián)所構(gòu)成的簡(jiǎn)單穩(wěn)壓電路獲得（可參見齊納二極管一節(jié)），R1與R2組成反饋網(wǎng)絡(luò)，是用來(lái)反映輸出電壓變化的取樣環(huán)節(jié)。

這種穩(wěn)壓電路的主回路是起調(diào)整作用的三極管T與負(fù)載串聯(lián)，故稱為串聯(lián)式穩(wěn)壓電路。輸出電壓的變化量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣經(jīng)放大電路（A）放大后去控制調(diào)整管T的c-e極間的電壓降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓VO的目的。穩(wěn)壓原理可簡(jiǎn)述如下：當(dāng)輸入電壓VI增加（或負(fù)載電流IO減小）時(shí)，導(dǎo)致輸出電壓VO增加，隨之反饋電壓VF=R2VO/（R1+R2）=FVVO也增加（FV為反饋系數(shù)）。VF與基準(zhǔn)電壓VREF相比較，其差值電壓經(jīng)比較放大電路放大后使VB和IC減小，調(diào)整管T的c-e極間電壓VCE增大，使VO下降，從而維持VO基本恒定。

同理，當(dāng)輸入電壓VI減小（或負(fù)載電流IO增加）時(shí)，亦將使輸出電壓基本保持不變。

從反饋放大電路的角度來(lái)看，這種電路屬于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路。調(diào)整管T連接成電壓跟隨器。因而可得

或

式中AV是比較放大電路的電壓增益，是考慮了所帶負(fù)載的影響，與開環(huán)增益AVO不同。在深度負(fù)反饋條件下， 時(shí)，可得

上式表明，輸出電壓VO與基準(zhǔn)電壓VREF近似成正比，與反饋系數(shù)FV 成反比。當(dāng)VREF 及FV 已定時(shí)，VO也就確定了，因此它是設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路的基本關(guān)系式。

值得注意的是，調(diào)整管T的調(diào)整作用是依靠VF和VREF之間的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)的，必須有偏差才能調(diào)整。如果VO絕對(duì)不變，調(diào)整管的VCE也絕對(duì)不變，那么電路也就不能起調(diào)整作用了。所以VO不可能達(dá)到絕對(duì)穩(wěn)定，只能是基本穩(wěn)定。因此，圖1所示的系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)有差調(diào)整系統(tǒng)。

由以上分析可知，當(dāng)反饋越深時(shí)，調(diào)整作用越強(qiáng)，輸出電壓VO也越穩(wěn)定，電路的穩(wěn)壓系數(shù)g和輸出電阻Ro也越小。

三、帶隙基準(zhǔn)電壓源

基準(zhǔn)電壓VREF是穩(wěn)壓電路的一個(gè)重要組成部分，它直接影響穩(wěn)壓電路的性能。為此要求基準(zhǔn)電壓輸出電阻小，溫度穩(wěn)定性好，噪聲低。目前用穩(wěn)壓管組成的基準(zhǔn)電壓源雖然電路簡(jiǎn)單，但它的輸出電阻大。故常采用帶隙基準(zhǔn)電壓源，其電路如圖1所示。由圖可知，基準(zhǔn)電壓為

從原理上說(shuō)，三極管T3的發(fā)射結(jié)電壓VBE3可用作基準(zhǔn)電壓源，但它具有較高的負(fù)溫度系數(shù)（–2mV/℃），因而必須增加一個(gè)具有正溫度系數(shù)的電壓IC2R2來(lái)補(bǔ)償。IC2是由T1、T2和Re2構(gòu)成的微電流源電路提代。其值為

故基準(zhǔn)電壓VREF可表示為

如果合理地選擇IC1/ IC2和Rc1/ Rc2的值，即可利用具有正溫度系數(shù)的電壓IC2Rc2補(bǔ)償具有負(fù)溫度系數(shù)的電壓VBE3，使得基準(zhǔn)電壓為

那么基準(zhǔn)電壓VREF的溫度系數(shù)恰好為零。式中的q為電子電荷，EG為硅的禁帶寬度。因此，上述電路常稱為帶隙基準(zhǔn)電壓源電路。這種基準(zhǔn)電壓源的電壓值較低，溫度穩(wěn)定性好，故適用于低電壓的電源中。市場(chǎng)上已有這類集成組件可供使用，國(guó)產(chǎn)型號(hào)有CJ336、CJ329，國(guó)外型號(hào)有MC1403、AD580等。

這類帶隙基準(zhǔn)電壓源還能方便地轉(zhuǎn)換成1.2V～10V等多檔穩(wěn)定性極高的基準(zhǔn)電壓，溫度系數(shù)可達(dá)2mV/℃，輸出電阻極低，而且近似零溫漂及微伏級(jí)的熱噪聲，它廣泛用于集成穩(wěn)壓器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（A/D、D/A）和集成傳感器中。