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采用TL431基准的压控振荡器

文章来源:本站原创作者:admin 发布时间:2019-07-12 点击数:

  并联稳压二极管,其电压基准如同低温度系数的齐纳管一样运行,通过两个外部电阻就可从2.5V编程到36V。同时,该器件显示出宽工作电流范围,在典型和运放电路等许多需要精密电压基准的应用中代替齐纳二极管。现在,该器件被广泛应用于各种

  在电源电压输入和电容负载等特定条件下,TL431会显示出不稳定性,引发10kHz~1.5MHz的持续振荡(频率大小取决于对输入电压的控制)。其中一部分原因是,在上述条件下存在负阻区。在本设计实例中,不稳定性既不是由内部两极引起的,也不是由与负载电阻串联的外部电容器的第三极引起的。增设了单晶体管输出级提供缓冲,使整个范围内产生TTL输出电平(图1)。

  要想了解振荡器的运行原理,需从两个方面来考量电路:第一是TL431电压基准的底层操作。如图2所示的振荡器等效电路。电流I1(见图3)是压敏恒流,其大小约为(VCTRL-VKA)/R(VKA为齐纳电压)。假定开始的时候电容器不带电(此时VKA=0V),然后由来自I1处的电流为电容器逐渐充电,直到使电压达到TL431的均衡值,即:VKA=2.49V。只要充电电流存在,电容器就会继续充电。图2中对电路的瞬态模拟显示了电容器电压仅需超过VKA均衡值若干微伏,以启动均衡恢复反馈,具体细节如下:

  由于Q1的基极直连电容器,因此VKA值的增加会使Q1的发射极电压(也就是Q11的基极电压)值变大,迫使Q11进行更多动作。晶体管Q9和电阻 R8构成Q11的集电极负载。Q11中不断增加的集电极电流会使Q9的集电极电压降低。Q9和Q10同为电流镜的组成部分,因此它们的集电极电流和Q11 的相同,但Q10的动态集电极负载由Q6构成,其通过R5从第二电流镜(由晶体管Q2、Q4和Q12构成)处获得基极电流。因为该电流镜的配置,Q1射极电压的最初增长同样促使VBE升高。这就使Q6的集电极电流增加,进而增强Q10不断增加的集电极电流。因此,产生的整体影响是其集电极电压值升高,该电压也就是达灵顿对(Darlingtonpair)Q7和Q8中第一晶体管的基极电压,迫使Q8进行更多动作,导致其集电极-发射极电压(VCE,实际上就是VKA)骤降。在这一特殊应用中,连接至电容器的基准终端(R)使用硬线连接至阴极端子(K)。因此,迄今为止,当电容器电压超过均衡值时,器件可促使阴极-阳极电压迅速降低,以恢复至均衡值。

  图 3以结构示意图的形式显示了当TL431器件的内部均衡值受到干扰后,持续振荡是如何开始和增强的。电容器中的电流为小恒流,源于供应电流I1。在图1 中,该充电电流为I3。当电容器的值超过VREF的均衡值时,电流I2快速流动并有效地吸收电容器中储存的充电电流。I2存在的时间较短暂,但却足以使电容器电压再次降低至均衡值。接下来,I1会再次为电容器充电,在这一周期中会保持稳态振荡。由于电容器的放电时间极为短暂,通过以下计算公式可以得知放电期间的电流要远大于源电流I1:I=ΔQ/Δt(其中ΔQ是充电阶段电容器所获得的充电电流)。充电与放电时间估算

  由于充电和放电电流为已知量,可得出充电期间获得的电荷及流入TL431输出极的电荷的近似表达式。在稳态振荡(类似于两步斗链式器件的过程)期间,这两个表达式是相等的。也就是说,充电期间获得的电荷与放电期间损耗的电荷相等。在图1中,

  TL431中IBIAS的值高出VCTRL约260μA。根据第一性原理,可得出下列微分方程式:

  电阻Rs为连接至控制电压的串联电阻。在稳态振荡期间,对含VC(从低阈值到高阈值)的微分方程进行求解,可得出充电时间:

  放电时间的估算要稍微复杂一些,因为放电是通过动态电阻来实现的。在放电期间,所获得的电荷通过有效电阻释放,而有效电阻的估算方式见后。仿真与实验结果显示,在稳态振荡期间,VKA的值不会低于1.60V或超过2.74V。仔细查看TL431数据表,图1展示了诸如二极管等器件的动态电阻是如何变化的。

  和正常的结式二极管不同的是,由于TL431位于带隙基准源附近,其电流没有明显的温度系数。动态电阻计算方式如下:

  依据数据表特征的线V/kΩ。因此,在振荡区域,电阻值会在1.7kΩ~246Ω这一范围内变动。在电容性放电的情况下,这就意味着,当控制电压值增大时,放电速度就会更快,因为有效放电通路的电阻值较低。因此,预计放电时间将缩短,即:频率会随着控制电压值的增大而增大。事实上,这一点是通过实际使用的振荡器观察得出。仿真结果显示,放电会涉及源自电容器的大电流,因此,放电时间通常极短,可以忽略不计。

  输出电流可直接从电容器中获取,因此在这种情况下有必要采用外部缓冲防止电容器的加载。使用不同的模型对图1所示电路进行仿真,会发现所有模型都呈现一致的振荡。在实际实验中,使用了不同生产商生产的同等设备,对TL431A、TL431B、KA431和LM431都进行了实验,结果显示:尽管这些器件均产生振荡,但振荡开始时的电压输入和频率振荡的范围各有所异。此外,这些器件的基准电压在2.43V~2.53V这一范围内变动。

  据观察,图1中OSC点振荡器的输出电压值随控制输入电压V1的变化而变化,V1值变大时,该输出电压也变大。在使用实际电路中电流的情况下,频率输出和控制电压输入呈正比,但在使用特定电流的情况下,测量值会呈现出和特定控制电压(区域1)相同的变化,振荡的频率随控制电压的增大而降低(区域2)。对于线给出了元件值及不同测试器件的频率范围和控制输入电压值。

  尽管在TL431数据表中写明其可吸收高达100mA的电流,但是在这些实验中,控制电压值仍被限定在12V左右,以确保能够将阴极电流限制在10mA。此外,仅LM431呈现了区域2的状态,即:频率随着控制电压值的变大而降低。当控制输入值位于5.20V~7.04V之间且相应的频率值处于 433kHz~602kHz这一范围时,上述现象才会产生。此时,C1的值为100nF。根据数据表1,当电容值处于10nF~100nF这一范围内时 (与该表中的范围相同)8608cc开奖记录,不稳定的现象会产生(图3、图4)。

  该振荡器可应用于超低成本的实验室TTL脉冲发生器和适用于中波波段的低频锁相环压控振荡器。该装置已成功应用于二极环混频电路,使AM波段可使用软件无线电技术。