TL431中基準補償電路

趙世芳++蒲忠勝

摘 要： 在TL431雙極性工藝的電路中，為了提高該器件輸出基準電壓的穩定性和精準性，在傳統帶隙基準電路的基礎上，通過采用調節電阻值獲得指數曲率、二階非線性補償方法和加權電阻修正網絡對精度的補償方法，對基準源進行溫度補償和精準度補償。通過對電路模擬仿真，計算出調整后的溫度系數為24.77 ppm/℃，然后對調整精度基準電路后的芯片進行實際參數測試試驗。分析得出在精度為±0.5%的情況下，良品率達到96%。因此得出，該TL431中基準補償電路能夠獲得低溫度系數和高精度的設計指標。

關鍵詞： 帶隙基準電路； 溫度補償； 誤差源補償； TL431

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0140?03

0 引 言

TL431是美國德洲儀器公司（Texas Instrument）開發的一個有良好熱穩定性能的三端可調精密電壓基準集成電路，它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設置到從Vref（2.5 V）～36 V范圍內的任何值[1?2]。目前是市場上應用比較廣泛的一種穩壓器件。其內部有一個帶隙基準源，它的溫度穩定性和基準的精準度將會影響到整個器件的性能，因此具有一個高性能的基準源對整個器件性能的影響非常大。

1 溫度補償基準源

本電路中采用了一種比較精密的基準源（見圖1），與傳統的待隙基準電路[3?5]相比較，該電路增加了非線性的溫度補償，這里的非線性包括指數曲率補償和二階補償。如圖2所示，為電路帶曲率補償[6?7]的原理圖。

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

其電路基準源表達式：

根據KVL方程可以計算出電路中流過電阻R3的電流，又因為Ib=[Icβ]，其中β是晶體管的電流增益：

式中：M是電路中Q3和Q4的發射區的面積比，根據I3可以求出電流I1和I2，最后得出基準電壓的表達式為：

在上式中，Vbe和β均是關于溫度的變量[8]，其表達式如下：

式中：α，γ為與工藝相關但是與溫度無關的常數；Vg0和Vbe硅的能隙電壓和硅的基極發射極電壓。將式（4），（5）帶入式（1）中，得到基準電壓關于溫度的表達式：

式中：A，B是常數項；K1，K2可以由電阻調節得到，如上述公式，基準電壓有3部分組成，常數項，一次項，非線性項，設線性項和非線性項分別為：

對于一次項，調節電阻R4，使得K2≈A，就可以得到補償。從表達式（8）中，可以看到兩條曲線的曲率一個為負，一個為正，這樣就會得到一個正負溫度的補償，其中選擇調節電阻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償。下面圖3是對修正后電路模擬仿真的到結果。

經典的TL431的溫度系數為50 ppm/℃。而改進后的基準的溫度系數只有24.77 ppm/℃，與其相比較，基本上降低了一半，所以說，這個電路更具有一定的使用價值。

2 誤差補償基準源

在帶隙基準電路中，除了溫度的影響外，還有許多因素會影響基準電壓的精確性，例如：晶體管Q1，Q3的基極?發射極電壓偏差、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誤差表達式如下：晶體管Q1，Q3的基極?發射極電壓偏差是晶體管自身在生產中存在的工藝缺陷，其大小為△Vbf =±24 mV[9]。在基準表達式（1）中，得出其引起的基準誤差[10]為：

基準源是由晶體管Q3，Q4的匹配構成的，它們之間的失配是因為發射結面積失配，會引起晶體管的基極?發射極電壓變化ΔVbe和集電極電流的變化ΔI，發射結面積失配比例誤差δNPN=2%[9]，其引起的基準誤差[10]為：

電阻自身偏差會引起電路中電壓和電流發生變化，導致基準源產生誤差，其中電阻自身偏差率δRA=20%[9]，其引起的基準誤差[10]為：

電阻[R1R4]和[R2R4]匹配誤差是由于在畫電路版圖時候，電阻之間失配引起的，其電阻匹配誤差率是δRR=2%[9]，其引起的基準誤差[10]為以上式（9）～（12）誤差源引起的基準的均方誤差值為±55.71 mV，這些誤差不可以忽略不計，其誤差源范圍是111 mV。 為了獲得更加精確的基準，通過采用加權電阻修正網絡對這些誤差源進行補償。其原理是電路在調整誤差的時候，選擇合適電阻段上的壓降，熔斷熔絲進行補償。電阻段的選取是2進制加權[11]，即：R， [R2]，[R4]，[R8]，這樣是用來均勻的分配微調范圍，也擴大了微調范圍，得到高精度調整。加權電阻值分別為：316 Ω， 158 Ω，78 Ω，39 Ω。從加權修調網絡電路版圖4中可以看出，其電路圖如圖1所示，因為減少了電阻的接觸孔，實際電阻值增加了，所以這些電阻上有額外電壓，其值分別為： 60 mV，30 mV，14 mV，7 mV。這些電阻上的所有額外電壓的總和就是補償電壓trim范圍。

在室溫下，采用上述加權電阻網絡對TL431器件進行測試，它的基準典型輸出為2.495 V。對33 560個樣品進行測試，未調整前，測試參數如圖5所示，典型值為 2.405 V， 最大值為2.510 V ，最小值為2.330 V。通過加權電阻修正網絡，熔斷適當的熔絲，對基準電壓進行調整，得到參數見圖6，典型值為2.495 V，精度指標為±0.5%條件下，即基準范圍在2.483～2.507 V內有32 261個芯片，良品率達到96%。如果精度指標為

±0.2%，基準范圍為2.490～2.450 V，良品率達到78%。

3 結 語

本文主要是對TL431集成電路基準源部分進行溫度補償和誤差源補償，在溫度補償時，采用了曲率補償方法，通過調節電路中的電阻部分將基準中源中的線性部分和非線性部分補償分別補償，通過仿真結果看到該基準的溫度系數降低基本一半左右，滿足溫度穩定性指標。在誤差源補償中，通過計算各個誤差源帶入基準的誤差，計算出調整的trim范圍，采用加權電阻修正網絡，對電路進行修調，通過實際參數修正結果可以得出，高精度指標為±0.5%的時候，器件的良品率達到96%，滿足電路高精度指標。

參考文獻

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[11 [美]HASTINGS Alan.模擬電路版圖藝術[M].王志功，譯.北京：清華大學出版社，2007.

3 結 語

本文主要是對TL431集成電路基準源部分進行溫度補償和誤差源補償，在溫度補償時，采用了曲率補償方法，通過調節電路中的電阻部分將基準中源中的線性部分和非線性部分補償分別補償，通過仿真結果看到該基準的溫度系數降低基本一半左右，滿足溫度穩定性指標。在誤差源補償中，通過計算各個誤差源帶入基準的誤差，計算出調整的trim范圍，采用加權電阻修正網絡，對電路進行修調，通過實際參數修正結果可以得出，高精度指標為±0.5%的時候，器件的良品率達到96%，滿足電路高精度指標。

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3 結 語

本文主要是對TL431集成電路基準源部分進行溫度補償和誤差源補償，在溫度補償時，采用了曲率補償方法，通過調節電路中的電阻部分將基準中源中的線性部分和非線性部分補償分別補償，通過仿真結果看到該基準的溫度系數降低基本一半左右，滿足溫度穩定性指標。在誤差源補償中，通過計算各個誤差源帶入基準的誤差，計算出調整的trim范圍，采用加權電阻修正網絡，對電路進行修調，通過實際參數修正結果可以得出，高精度指標為±0.5%的時候，器件的良品率達到96%，滿足電路高精度指標。

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