1個很精妙的高精度電壓基準(zhǔn)電路

ID:980757 · 發(fā)表于 2021-11-14 04:31

先上圖，圖里面的431也可以是別的基準(zhǔn)源（比如LT1004之類的）甚至可以是一個簡單的穩(wěn)壓二極管。需要說明的時，此電路并非本人原創(chuàng)，也不知道作者是誰，偶然看到后，分析了一番覺得設(shè)計得很精妙。實際使用時工作也很穩(wěn)定，所以分享給大家。

電壓基準(zhǔn)芯片大家都用過吧？比如最常見的431，串一個電阻連接到VCC和地之間，就可以獲得2.495V的基準(zhǔn)電壓。雖然簡單，但是我們實際使用時候肯定都會遇到這樣的情況，那就是如果供電電壓發(fā)生了變化，那么因為通過431的電流也會相應(yīng)的發(fā)生變化，導(dǎo)致431輸出的基準(zhǔn)電壓也會在一個很小的范圍內(nèi)浮動。這個浮動大小受431生產(chǎn)工藝的影響較大，大多時候因為這個浮動范圍很小，所以可以不去理會，但是在對基準(zhǔn)源的穩(wěn)定性要求高的場合就不行了。一般的解決方案是使用更高精度的基準(zhǔn)芯片，比如前文提到過的LT1004；又或者是進(jìn)行一次預(yù)穩(wěn)壓，即使用線性穩(wěn)壓器件如78XX之類的穩(wěn)壓器先獲取一個相對穩(wěn)定的電壓用來給基準(zhǔn)芯片供電。

那有沒有第三種方法呢，那就是本文開頭提供的電路了。即利用運放獲得一個穩(wěn)定的恒流源給基準(zhǔn)芯片供電。具體怎么實現(xiàn)的，我們來分析一下。

首先，剛上電的時候，運放輸出端肯定是沒有電流輸出的。此時，431尚未啟動，對地表現(xiàn)為斷路。由于電阻R7的存在運放的非反相輸入端獲得了一個初始電壓（理想情況下此電壓應(yīng)該等于VCC，因為后續(xù)電路的影響可能達(dá)不到，但肯定能使運放開始輸出電流），此電壓高于反相輸入端的電壓（反相端初始因為運放沒有輸出電流所以電壓為0），于是運放輸出端開始輸出電流，431兩端的電壓開始升高，直到431正常啟動。此時，因為431的存在，運放的非反相輸入端電壓恒定為2.495V。根據(jù)運放特性，運放會竭力保證反相輸入端的電壓等于非反相輸入端，由于R5和R6的分壓，運放輸出電壓為2.495/R5 * (R5+R6) = 3.86V可以滿足要求。此時這個電路達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，431的工作電流為(VCC-2.495)/R7 +(3.86-2.495)/R4，因為R7阻值巨大，所以可以認(rèn)為431工作電流=(3.86-2.495)/R4=0.002A即2mA，為手冊上推薦的最佳值。

然后我們來看看VCC的電壓波動時會發(fā)生什么。還是因為R7是一個阻值巨大的電阻，根據(jù)上面的計算公式，VCC每變化1V，431的工作電流變化1/R7 = 0.0000005A=0.5uA。連1微安都不到。所以除非VCC電壓有成百上千V的變化，否則對431工作電流的影響都是微乎其微。431永遠(yuǎn)工作在2mA的恒定電流中，任VCC如何變化，都不會發(fā)生改變。保證其能一直輸出穩(wěn)定的參考電壓。

ID:149799 · 發(fā)表于 2021-11-14 10:06

謝謝分享，分析的到位。

ID:307505 · 發(fā)表于 2021-11-14 13:17

確實精妙，分析很詳細(xì)

ID:518902 · 發(fā)表于 2021-11-17 20:24

非常的精妙呀! 看了感覺非常神奇! 感謝樓主的分享!

ID:491875 · 發(fā)表于 2021-11-18 11:23

要實現(xiàn)高精度，431顯然不可取。

ID:298123 · 發(fā)表于 2021-12-22 15:20

有沒有考慮到溫漂？

ID:149642 · 發(fā)表于 2022-7-28 12:19

對于我來說不適用,我搞的都是高集成度的板子,這個元件太多,我選用的是日本的恒流二極管.......

ID:272119 · 發(fā)表于 2022-7-30 14:47

仔細(xì)看了電路個人不是很贊同,只針對帖子電路圖進(jìn)行分解,也希望和大師交流.
A: TL431當(dāng)穩(wěn)壓源那輸出會連接負(fù)載電路,那初始啟動電流靠R7提供,會不會導(dǎo)致R7提供的電流和負(fù)載分壓出來還不夠運放的共模電壓導(dǎo)致運放無輸出而一直不能啟動輸出電壓.
B: 運放+TL431在整個電路是閉環(huán)正反饋模式(單純運放是負(fù)反饋模式放大1.54倍),也就是說輸入增加0.1V,輸出相對增加0.154,而輸出的1.54倍電壓又會疊加到輸入正端,還好有TL431抑制輸入電壓讓其盡可能保證輸入在2.495V,但按照我的理解正反饋環(huán)路在這里不單不會穩(wěn)定電路而是加劇環(huán)路偏差. 一旦TL431 因為溫漂或者自身差異電壓變化那運放會以1.54倍放大這個差異通過R4疊加給TL431而更加劇這個偏差.
C,個人理解可以把整個環(huán)路接成負(fù)反饋模式,一旦TL431出現(xiàn)偏差,運放應(yīng)該以反相放大輸出與偏差相反1.54倍的電壓通過R4加載在TL431的RK極以矯正這個偏差.

ID:1034262 · 發(fā)表于 2022-8-3 15:06

如果是為了用恒流供電，我用LED做基準(zhǔn)+8550做恒流給431供電，431本身電流調(diào)整率也可以的。
而431的溫漂才是它的短板。
我用的基準(zhǔn)是比較便宜的LM399H，自恒溫，我手上的一個LM399H用6位半表校準(zhǔn)過為6.90872V，年誤差不超過0.1mV，用于校準(zhǔn)直流電壓表的。

ID:137736 · 發(fā)表于 2022-9-25 12:06

有沒有考慮到溫漂？

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