TL431中基準(zhǔn)補(bǔ)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(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性，在傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)電路的基礎(chǔ)上，通過采用調(diào)節(jié)電阻值獲得指數(shù)曲率、二階非線性補(bǔ)償方法和加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)對(duì)精度的補(bǔ)償方法，對(duì)基準(zhǔn)源進(jìn)行溫度補(bǔ)償和精準(zhǔn)度補(bǔ)償。通過對(duì)電路模擬仿真，計(jì)算出調(diào)整后的溫度系數(shù)為24.77 ppm/℃，然后對(duì)調(diào)整精度基準(zhǔn)電路后的芯片進(jìn)行實(shí)際參數(shù)測試試驗(yàn)。分析得出在精度為±0.5%的情況下，良品率達(dá)到96%。因此得出，該TL431中基準(zhǔn)補(bǔ)償電路能夠獲得低溫度系數(shù)和高精度的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 帶隙基準(zhǔn)電路； 溫度補(bǔ)償； 誤差源補(bǔ)償； TL431

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0140?03

0 引 言

TL431是美國德洲儀器公司（Texas Instrument）開發(fā)的一個(gè)有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)集成電路，它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref（2.5 V）～36 V范圍內(nèi)的任何值[1?2]。目前是市場上應(yīng)用比較廣泛的一種穩(wěn)壓器件。其內(nèi)部有一個(gè)帶隙基準(zhǔn)源，它的溫度穩(wěn)定性和基準(zhǔn)的精準(zhǔn)度將會(huì)影響到整個(gè)器件的性能，因此具有一個(gè)高性能的基準(zhǔn)源對(duì)整個(gè)器件性能的影響非常大。

1 溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)源

本電路中采用了一種比較精密的基準(zhǔn)源（見圖1），與傳統(tǒng)的待隙基準(zhǔn)電路[3?5]相比較，該電路增加了非線性的溫度補(bǔ)償，這里的非線性包括指數(shù)曲率補(bǔ)償和二階補(bǔ)償。如圖2所示，為電路帶曲率補(bǔ)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(guān)系為：R3∶R2=3∶1，通過這兩個(gè)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(zhǔn)源表達(dá)式：

根據(jù)KVL方程可以計(jì)算出電路中流過電阻R3的電流，又因?yàn)镮b=[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(fā)射區(qū)的面積比，根據(jù)I3可以求出電流I1和I2，最后得出基準(zhǔn)電壓的表達(dá)式為：

在上式中，Vbe和β均是關(guān)于溫度的變量[8]，其表達(dá)式如下：

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

式中：A，B是常數(shù)項(xiàng)；K1，K2可以由電阻調(diào)節(jié)得到，如上述公式，基準(zhǔn)電壓有3部分組成，常數(shù)項(xiàng)，一次項(xiàng)，非線性項(xiàng)，設(shè)線性項(xiàng)和非線性項(xiàng)分別為：

對(duì)于一次項(xiàng)，調(diào)節(jié)電阻R4，使得K2≈A，就可以得到補(bǔ)償。從表達(dá)式（8）中，可以看到兩條曲線的曲率一個(gè)為負(fù)，一個(gè)為正，這樣就會(huì)得到一個(gè)正負(fù)溫度的補(bǔ)償，其中選擇調(diào)節(jié)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(bǔ)償。下面圖3是對(duì)修正后電路模擬仿真的到結(jié)果。

經(jīng)典的TL431的溫度系數(shù)為50 ppm/℃。而改進(jìn)后的基準(zhǔn)的溫度系數(shù)只有24.77 ppm/℃，與其相比較，基本上降低了一半，所以說，這個(gè)電路更具有一定的使用價(jià)值。

2 誤差補(bǔ)償基準(zhǔn)源

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

基準(zhǔn)源是由晶體管Q3，Q4的匹配構(gòu)成的，它們之間的失配是因?yàn)榘l(fā)射結(jié)面積失配，會(huì)引起晶體管的基極?發(fā)射極電壓變化ΔVbe和集電極電流的變化ΔI，發(fā)射結(jié)面積失配比例誤差δNPN=2%[9]，其引起的基準(zhǔn)誤差[10]為：

電阻自身偏差會(huì)引起電路中電壓和電流發(fā)生變化，導(dǎo)致基準(zhǔn)源產(chǎn)生誤差，其中電阻自身偏差率δRA=20%[9]，其引起的基準(zhǔn)誤差[10]為：

電阻[R1R4]和[R2R4]匹配誤差是由于在畫電路版圖時(shí)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(zhǔn)誤差[10]為以上式（9）～（12）誤差源引起的基準(zhǔn)的均方誤差值為±55.71 mV，這些誤差不可以忽略不計(jì)，其誤差源范圍是111 mV。 為了獲得更加精確的基準(zhǔn)，通過采用加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些誤差源進(jìn)行補(bǔ)償。其原理是電路在調(diào)整誤差的時(shí)候，選擇合適電阻段上的壓降，熔斷熔絲進(jìn)行補(bǔ)償。電阻段的選取是2進(jìn)制加權(quán)[11]，即：R， [R2]，[R4]，[R8]，這樣是用來均勻的分配微調(diào)范圍，也擴(kuò)大了微調(diào)范圍，得到高精度調(diào)整。加權(quán)電阻值分別為：316 Ω， 158 Ω，78 Ω，39 Ω。從加權(quán)修調(diào)網(wǎng)絡(luò)電路版圖4中可以看出，其電路圖如圖1所示，因?yàn)闇p少了電阻的接觸孔，實(shí)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(bǔ)償電壓trim范圍。

在室溫下，采用上述加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)TL431器件進(jìn)行測試，它的基準(zhǔn)典型輸出為2.495 V。對(duì)33 560個(gè)樣品進(jìn)行測試，未調(diào)整前，測試參數(shù)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(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)，熔斷適當(dāng)?shù)娜劢z，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行調(diào)整，得到參數(shù)見圖6，典型值為2.495 V，精度指標(biāo)為±0.5%條件下，即基準(zhǔn)范圍在2.483～2.507 V內(nèi)有32 261個(gè)芯片，良品率達(dá)到96%。如果精度指標(biāo)為

±0.2%，基準(zhǔn)范圍為2.490～2.450 V，良品率達(dá)到78%。

3 結(jié) 語

本文主要是對(duì)TL431集成電路基準(zhǔn)源部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償和誤差源補(bǔ)償，在溫度補(bǔ)償時(shí)，采用了曲率補(bǔ)償方法，通過調(diào)節(jié)電路中的電阻部分將基準(zhǔn)中源中的線性部分和非線性部分補(bǔ)償分別補(bǔ)償，通過仿真結(jié)果看到該基準(zhǔn)的溫度系數(shù)降低基本一半左右，滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)。在誤差源補(bǔ)償中，通過計(jì)算各個(gè)誤差源帶入基準(zhǔn)的誤差，計(jì)算出調(diào)整的trim范圍，采用加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電路進(jìn)行修調(diào)，通過實(shí)際參數(shù)修正結(jié)果可以得出，高精度指標(biāo)為±0.5%的時(shí)候，器件的良品率達(dá)到96%，滿足電路高精度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] BASSO Christophe. The TL431 in switch?mode power supplies loops： part I [J]. Electronic Design Application， 2009， 3： 99?102.

[2] Texas Instruments. TLV431 datasheet [R]. USA： Texas Instruments， 2000.

[3] GUNAWAN M， MEIJER C， FONDERIE J. A curvature?corrected low?voltage bandgap reference [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1993， 28： 667?670.

[4] SONG B S， GRAY P R. A precision curvature?compensated CMOS bandgap reference [J]. IEEE Journal of Solid?state Circuits， 1983， 18（6）： 634?643.

[5] RINCON?MORA Gabriel Alfonso. Voltage references： from diodes to precision high?order bandgap circuits [M]. USA： Wiley & Sons， 2000.

[6] 徐勇，王志功，關(guān)宇，等.一種高精度帶隙電壓基準(zhǔn)源改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27（12）：2209?2213.

[7] 鄭儒富，俞永康.一種4 ppm/℃曲率補(bǔ)償CMOS帶隙基準(zhǔn)源[J].微電子學(xué)，2007，37（1）：101?104.

[8] LEE I， KIM G， KIM W， et al. Exponential curvature?compensated BiCMOS bandgap references [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1994， 29（11）： 1396?1403.

[9] GUPTA V， RINC?N?MORA G A. Predicting the effects of error sources in bandgap reference circuits and evaluating their design implications [J]. Circuits and Systems， 2002， 3： 575?578.

[10] GUPTA V， RINC?N?MORA G A. Predicting and designing for the impact of process variations and mismatch on the trim range and yield of bandgap reference [C]// Proceedings of Sixth International Symposium on Quality of Electronic Design. [S.l.]： ISQED， 2005： 503?508.

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

3 結(jié) 語

本文主要是對(duì)TL431集成電路基準(zhǔn)源部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償和誤差源補(bǔ)償，在溫度補(bǔ)償時(shí)，采用了曲率補(bǔ)償方法，通過調(diào)節(jié)電路中的電阻部分將基準(zhǔn)中源中的線性部分和非線性部分補(bǔ)償分別補(bǔ)償，通過仿真結(jié)果看到該基準(zhǔn)的溫度系數(shù)降低基本一半左右，滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)。在誤差源補(bǔ)償中，通過計(jì)算各個(gè)誤差源帶入基準(zhǔn)的誤差，計(jì)算出調(diào)整的trim范圍，采用加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電路進(jìn)行修調(diào)，通過實(shí)際參數(shù)修正結(jié)果可以得出，高精度指標(biāo)為±0.5%的時(shí)候，器件的良品率達(dá)到96%，滿足電路高精度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] BASSO Christophe. The TL431 in switch?mode power supplies loops： part I [J]. Electronic Design Application， 2009， 3： 99?102.

[2] Texas Instruments. TLV431 datasheet [R]. USA： Texas Instruments， 2000.

[3] GUNAWAN M， MEIJER C， FONDERIE J. A curvature?corrected low?voltage bandgap reference [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1993， 28： 667?670.

[4] SONG B S， GRAY P R. A precision curvature?compensated CMOS bandgap reference [J]. IEEE Journal of Solid?state Circuits， 1983， 18（6）： 634?643.

[5] RINCON?MORA Gabriel Alfonso. Voltage references： from diodes to precision high?order bandgap circuits [M]. USA： Wiley & Sons， 2000.

[6] 徐勇，王志功，關(guān)宇，等.一種高精度帶隙電壓基準(zhǔn)源改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27（12）：2209?2213.

[7] 鄭儒富，俞永康.一種4 ppm/℃曲率補(bǔ)償CMOS帶隙基準(zhǔn)源[J].微電子學(xué)，2007，37（1）：101?104.

[8] LEE I， KIM G， KIM W， et al. Exponential curvature?compensated BiCMOS bandgap references [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1994， 29（11）： 1396?1403.

[9] GUPTA V， RINC?N?MORA G A. Predicting the effects of error sources in bandgap reference circuits and evaluating their design implications [J]. Circuits and Systems， 2002， 3： 575?578.

[10] GUPTA V， RINC?N?MORA G A. Predicting and designing for the impact of process variations and mismatch on the trim range and yield of bandgap reference [C]// Proceedings of Sixth International Symposium on Quality of Electronic Design. [S.l.]： ISQED， 2005： 503?508.

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

3 結(jié) 語

本文主要是對(duì)TL431集成電路基準(zhǔn)源部分進(jìn)行溫度補(bǔ)償和誤差源補(bǔ)償，在溫度補(bǔ)償時(shí)，采用了曲率補(bǔ)償方法，通過調(diào)節(jié)電路中的電阻部分將基準(zhǔn)中源中的線性部分和非線性部分補(bǔ)償分別補(bǔ)償，通過仿真結(jié)果看到該基準(zhǔn)的溫度系數(shù)降低基本一半左右，滿足溫度穩(wěn)定性指標(biāo)。在誤差源補(bǔ)償中，通過計(jì)算各個(gè)誤差源帶入基準(zhǔn)的誤差，計(jì)算出調(diào)整的trim范圍，采用加權(quán)電阻修正網(wǎng)絡(luò)，對(duì)電路進(jìn)行修調(diào)，通過實(shí)際參數(shù)修正結(jié)果可以得出，高精度指標(biāo)為±0.5%的時(shí)候，器件的良品率達(dá)到96%，滿足電路高精度指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1] BASSO Christophe. The TL431 in switch?mode power supplies loops： part I [J]. Electronic Design Application， 2009， 3： 99?102.

[2] Texas Instruments. TLV431 datasheet [R]. USA： Texas Instruments， 2000.

[3] GUNAWAN M， MEIJER C， FONDERIE J. A curvature?corrected low?voltage bandgap reference [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1993， 28： 667?670.

[4] SONG B S， GRAY P R. A precision curvature?compensated CMOS bandgap reference [J]. IEEE Journal of Solid?state Circuits， 1983， 18（6）： 634?643.

[5] RINCON?MORA Gabriel Alfonso. Voltage references： from diodes to precision high?order bandgap circuits [M]. USA： Wiley & Sons， 2000.

[6] 徐勇，王志功，關(guān)宇，等.一種高精度帶隙電壓基準(zhǔn)源改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006，27（12）：2209?2213.

[7] 鄭儒富，俞永康.一種4 ppm/℃曲率補(bǔ)償CMOS帶隙基準(zhǔn)源[J].微電子學(xué)，2007，37（1）：101?104.

[8] LEE I， KIM G， KIM W， et al. Exponential curvature?compensated BiCMOS bandgap references [J]. IEEE Journal of Solid?State Circuits， 1994， 29（11）： 1396?1403.

[9] GUPTA V， RINC?N?MORA G A. Predicting the effects of error sources in bandgap reference circuits and evaluating their design implications [J]. Circuits and Systems， 2002， 3： 575?578.

[10] GUPTA V， RINC?N?MORA G A. Predicting and designing for the impact of process variations and mismatch on the trim range and yield of bandgap reference [C]// Proceedings of Sixth International Symposium on Quality of Electronic Design. [S.l.]： ISQED， 2005： 503?508.

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