詳細分析帶隙型穩(wěn)壓電路的工作原理

　　簡介：帶隙型穩(wěn)壓電路能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)使得溫度系數(shù)接近于0，以達到很好的穩(wěn)壓效果。在此，為了從數(shù)學(xué)上詳細推導(dǎo)分析這類電路的工作原理，我準備對這個過程中的每一步都一一進行推導(dǎo)。由于整個過程基本是數(shù)學(xué)方程式的演算，對于這類穩(wěn)壓電路不是很熟悉的朋友，希望能耐心跟著我的思路來理解，我盡量把它推導(dǎo)得明白、簡單、易懂。

　　我們知道，二極管的正向電壓VF和BJT的VBE都大約是0.6V的樣子，而且它們的溫度系數(shù)約為-2mV/oC，也就是說，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每升高1oC，它們的正向壓降就將減小2mV左右，示意圖如下，

　　下面先來分析帶隙型穩(wěn)壓電路一個基本原理圖，如果把它的基本原理弄清楚了，那么這種類型的穩(wěn)壓電路就算基本知道是怎么回事了。

　　對于晶體管來說，前人已經(jīng)推導(dǎo)出描述這個器件的一個很好的關(guān)系式了：

　　where,

　　IS為PN結(jié)的反向飽和電流;

　　q為電子的電量，且q=1.602*10-19C;

　　K是Boltzmann常數(shù)，且K=1.3805*10-23J/K;

　　T為熱力學(xué)絕對溫度(K);

　　VBE為所加的基、射極電壓。

　　同時，可以得出：

　　那么，從如上所示原理圖中，可以得出如下方程組：

　　在這里，我們做出本文最重要的一個前提假設(shè)：Q1和Q2的反向飽和電流以及hFE是相等的，則

　　其中，VT=KT/q即為熱電壓的定義式。

　　且熱電壓的溫度系數(shù)為：

　　根據(jù)上面方程組中的3、4兩式，可得：

　　此時，該電路的輸出電壓為：

　　這里m是熱電壓VT的加權(quán)系數(shù)。別忘了一個事實：VBE的溫度系數(shù)約為-2mV/OC<0，而VT的溫度系數(shù)則約為+0.0865mV/OC>0。所以只要適當?shù)卦O(shè)定m的值就可以使得Vout的溫度系數(shù)在很寬的溫度范圍內(nèi)接近于0!這就是帶隙型穩(wěn)壓電路的核心思想所在。

　　下面給出它的一個實用電路，

　　剖析該電路：

　　(1)當Q1和Q2的結(jié)溫和參數(shù)有著不容忽視的差異時，本文的所有理論推導(dǎo)將變得毫無意義，所以一定要使用單芯片雙(twin)晶體管，推薦使用2SC3381;

　　(2)C1=1000pF是超前相位補償電容，其作用是為了在輸出端至GND之間接有大容量的電容時該電路也能夠穩(wěn)定地工作;

　　(3)C2=0.1uF是電源旁路電容;

　　(4)R4也是在負載為電容時防止振蕩用的電阻;

　　(5)R5是上拉電阻，如果省去R5的話，則在接通電源時，輸出電壓的上升反應(yīng)往往會不盡人意;

　　(6)VR用于輸出電壓的微調(diào)，調(diào)整到輸出電壓的溫度系數(shù)為0。需要指出的是，這里的VR由于是滑動變阻器，因此它本身就夠成了一個噪聲源。所以實際值肯定會和理論計算值還是有一定差異的，這需要更精密的數(shù)學(xué)建模來進行分析了，但是一般來說，這種必要性不是很大，因為半導(dǎo)體材料的各種參數(shù)本來就不是嚴格線性的。

　　如上所述就是帶隙型穩(wěn)壓電路的整個工作原理的理論推導(dǎo)，在這個推導(dǎo)過程中，我借鑒了一個日本人寫的一本電路書。我這篇文章里50.1%的邏輯思想是源于那個日本人，呵呵，剩下的49.9%就是本人的了。但是我覺得我講得能比他講的更明白一些，因此本人特地整理出來和博友分享一下。