采用TL431基準(zhǔn)的壓控振蕩器 - 全文

　　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)的齊納管一樣運行，通過兩個外部電阻就可從2.5V編程到36V。同時，該器件顯示出寬工作電流范圍，在典型阻抗0.22Ω時為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。

　　在電源電壓輸入和電容負(fù)載等特定條件下，TL431會顯示出不穩(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)計實例中，不穩(wěn)定性既不是由內(nèi)部兩極引起的，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)了單晶體管輸出級提供緩沖，使整個范圍內(nèi)產(chǎn)生TTL輸出電平（圖1）。

　　壓控振蕩器的運行

　　要想了解振蕩器的運行原理，需從兩個方面來考量電路：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）。假定開始的時候電容器不帶電（此時VKA=0V），然后由來自I1處的電流為電容器逐漸充電，直到使電壓達到TL431的均衡值，即：VKA=2.49V。只要充電電流存在，電容器就會繼續(xù)充電。圖2中對電路的瞬態(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進行更多動作。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。因為該電流鏡的配置，Q1射極電壓的最初增長同樣促使VBE升高。這就使Q6的集電極電流增加，進而增強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，該電壓也就是達靈頓對（Darlingtonpair）Q7和Q8中第一晶體管的基極電壓，迫使Q8進行更多動作，導(dǎo)致其集電極-發(fā)射極電壓（VCE，實際上就是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，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，電流I2快速流動并有效地吸收電容器中儲存的充電電流。I2存在的時間較短暫，但卻足以使電容器電壓再次降低至均衡值。接下來，I1會再次為電容器充電，在這一周期中會保持穩(wěn)態(tài)振蕩。由于電容器的放電時間極為短暫，通過以下計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）。

　　充電與放電時間估算

　　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，這兩個表達式是相等的。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，對含VC（從低閾值到高閾值）的微分方程進行求解，可得出充電時間：

　　放電時間的估算要稍微復(fù)雜一些，因為放電是通過動態(tài)電阻來實現(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。仿真與實驗結(jié)果顯示，在穩(wěn)態(tài)振蕩期間，VKA的值不會低于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)。動態(tài)電阻計算方式如下：

　　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，電阻值會在1.7kΩ~246Ω這一范圍內(nèi)變動。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，放電速度就會更快，因為有效放電通路的電阻值較低。因此，預(yù)計放電時間將縮短，即：頻率會隨著控制電壓值的增大而增大。事實上，這一點是通過實際使用的振蕩器觀察得出。仿真結(jié)果顯示，放電會涉及源自電容器的大電流，因此，放電時間通常極短，可以忽略不計。

　　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。使用不同的模型對圖1所示電路進行仿真，會發(fā)現(xiàn)所有模型都呈現(xiàn)一致的振蕩。在實際實驗中，使用了不同生產(chǎn)商生產(chǎn)的同等設(shè)備，對TL431A、TL431B、KA431和LM431都進行了實驗，結(jié)果顯示：盡管這些器件均產(chǎn)生振蕩，但振蕩開始時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。

　　據(jù)觀察，圖1中OSC點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，該輸出電壓也變大。在使用實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，測量值會呈現(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）。對于線性區(qū)域1，表1給出了元件值及不同測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100mA的電流，但是在這些實驗中，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，上述現(xiàn)象才會產(chǎn)生。此時，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 （與該表中的范圍相同），不穩(wěn)定的現(xiàn)象會產(chǎn)生（圖3、圖4）。

　　該振蕩器可應(yīng)用于超低成本的實驗室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)。