基准源TL431的注意及应用

一、基准源TL431

TL431是可控的精密稳压源。它能够输出一个基准源信号，电压幅值范围为2.5V到36V范围内的任何值。

TL431的最简电路如图：

TL431输出Vref为2.5V电路

该电路输出的基准源信号电压幅值Vref为2.5V，即VCC输入大于2.5V的电压时，输出端Vout1总能输出2.5V的基准电压。

我们可以借此计算，通过电阻R1上的电流：

电流算式

当VCC为5V时，代入算式可得，电阻R1上所产生的电流为2.5mA。

二、TL431的实验与注意点

做为硬件界的【泥石流】，我总想做一些天方夜谭的事出来。

比如，能否在保持基准源为2.5V的条件下，增大R1的阻值到1M，来达到减少在R1上的电流损耗呢？

答案是：NO！不能。

在这里，通过对该电路的实验数据，能够分析得到结果。

TL431实测数据

TL431数据线性图

由图可知道，R1的阻值为1K或者10K时，输出的基准源Vref都约为2.5V左右。

但是，当R1的阻值为1M时，TL431输出的基准源Vref则远远偏离了2.5V的范畴了，此时的输出电压已经无法做为基准源使用了。

可总结出，该TL431的电路，能适量的增大R1电阻，最好不大于10K，来调整该基准源在R1上的损耗电流。

另外，TL431基准源不能作为供电电源，因为它并没有强大的带载能力，只是作为一个参考电位。

三、TL431的应用

TL431因为其钳位特性，即输入电压范围在2.5V-36V内，都总能输出恒定的Vref幅值的基准信号（2.5V-36V可调输出），故常用于作为ADC的基准源，以及DCDC芯片的基准源，它的其中一个常用电路如图：

TL431作为ADJ端基准信号源

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显微镜下观察LM185 芯片内部结构，一文带你读懂 LM185 电压基准原理

我是小七，今天给大家分享一款常见的电压基准芯片--LM185 。（来源于 Ken Shirriff）。

许多电路，例如计算机电源或者手机充电器都需要稳定的电压基准，但是当温度变化时保持电压温度并不是一件容易的事情。

这个时候集成电路LM185就派上用场了，作者查看了这款芯片的裸片，发现一些有意思的事情。

相同的硅芯片用于三种不同的集成电路，使用微小的内部保险丝来改变其功能。

LM185 芯片使用称为带隙基准的特殊电路，即使温度发生变化，也能保持电压温定 。

这篇文章主要是关于 LM185 芯片的内部结构分析。

显微镜下的 LM158 芯片

下面的照片显示了显微镜下的 LM185 芯片，一个很小的硅方块。

底层的硅是蓝灰色的，而顶部的金属线是橙色的。硅的区域掺杂有各种杂质，以在芯片上形成晶体管、电阻器和其他器件，随着硅的轻微颜色变化，掺杂的变化是可见的，顶部是国家半导体的标志。

LM185 的复合模具照片

LM185 提供三种变体，LM185-ADJ 是可调电压基准。

总共有三个引脚：一个是控制电压的反馈引脚 。

LM185-1.2-N 是一个双引脚器件 ，称为“微功率电压基准二极管”，类似于提供 1.235V 的齐纳二极管，但性能更好（更低的功耗、更少的噪音和更好的稳定性。）

最后，LM185-2.5-N 提供了一个 2.5V 的基准电压 。这三种变体基于相同的硅芯片。后两者具有内部连接的反馈，以提供固定电压而不是可调电压。

接下来的部分描述了芯片的各种组件是如何由硅制成的，以及它们是如何出现在芯片上的。

NPN晶体管

下面的照片显示了 LM185 中一个晶体管的特写 。硅中的黑线和稍有不同的色调表示已掺杂形成 N 和 P 区域的区域。白色区域是硅顶部芯片的金属层——它们形成连接到集电极、发射极和基极的导线。

裸片上 NPN 晶体管的结构

照片下方是一个横截面图，说明了晶体管的构造方式。除了你在书中看到的 NPN 三极管之外，还有很多其他东西，但如果你仔细观察“E”下方的垂直横截面，你会发现形成晶体管 的 NPN 。

发射极 (E) 线连接到 N+ 硅。其下方是连接到基极触点 (B) 的 P 层。在其下方是（间接）连接到收集器（C）的 N+ 层。

输出晶体管（下图）比其他晶体管大得多，并且具有不同的结构，以支持芯片的大电流输出。它有多个用于发射极和基极的互锁“指”，被大集电极包围。

LM185 芯片中的大电流 NPN 输出晶体管，标记了集电极 (C)、基极 (B) 和发射极 (E)

PNP晶体管

你可能认为 PNP 晶体管与 NPN 晶体管相似，只是交换了 N 和 P 硅的角色。

但由于各种原因，PNP 晶体管具有完全不同的结构。它们由一个小的圆形发射极 (P) 组成，周围是一个由集电极 (P) 包围的环形基极 (N)。

PNP 晶体管 与 NPN 晶体管的垂直结构不同，水平（横向）形成了 PNP 三极管。

下图显示了 LM185 中的一个 PNP 晶体管，以及显示硅结构的横截面。请注意，虽然基极的金属触点位于晶体管的边缘，但它通过 N 和 N+ 区域电连接到集电极和发射极之间的有源环。

LM185 芯片中的 PNP 晶体管，标记了集电极 (C)、发射极 (E) 和基极 (B) 的连接，以及 N 和 P 掺杂硅。

基极在发射极周围形成一个环，而集电极在基极周围形成一个环。

电阻

电阻是模拟芯片的关键元件，不过 IC 中的电阻很大且不准确，不同芯片的电阻可能相差 50%。

模拟 IC 的设计只有电阻的比率很重要，而不是绝对值，因为比率几乎保持不变。

下图显示了两个并联电阻，其他电阻具有锯齿形形状，以便将更长的电阻安装到可用空间中。

LM185芯片内部的电阻，电阻是两个金属触点之间的一条 P 硅

电容

电容由硅顶部的金属板组成，由充当电介质的薄氧化层隔开。

电容在集成电路上相当大，是该模具上最明显的组件。

下面的电容包含多个圆形图案，这些可以是掺杂硅区域，其中两个区域之间的结提供额外的电容。

芯片上的电容

保险丝

保险丝允许在制造后改变芯片的电路。

LM185 使用保险丝有两个原因。首先，保险丝可以增加或去除电阻，从而允许调整电路以获得更高的性能。

其次，保险丝改变了 LM185-1.2-N 和 LM185-2.5-N 变体之间的反馈电路。 （LM185-ADJ 版本需要的更改比熔断器支持的要多，因此需要对金属层进行一些更改。例如，它连接了三个焊盘而不是两个。）

保险丝附有两个金属焊盘，在封装芯片之前，探针可以接触焊盘并施加大电流来熔断保险丝。

第一种保险丝 是用一小条金属汽化来断开电路的，就像大型保险丝一样。

第二种类型的熔断器是“反熔断器” ，它具有相反的行为：在施加高电流之前它不会导通，此时它变成导通的。

反熔丝可以由齐纳二极管构成，将其短路的过程称为“齐纳击穿”。高电流通过结形成金属尖峰，使其永久导电。下图显示了出现在裸片上的保险丝和反保险丝。

芯片上的保险丝和反熔丝，触点最初有更多的金属，作者用酸清除了模具上的粘液，它溶解了一些金属

IC电路：电流镜

有一些电子器件在模拟 IC 中很常见，但起初可能看起来很神秘，电流镜就是其中之一。

你可以用一个简单的晶体管电路，电流镜“克隆”电流的多个副本。

以下电路显示了如何使用三个相同的晶体管实现电流镜电路 。

参考电流通过右侧的晶体管。（在这种情况下，电流由电阻器设置。）由于所有晶体管具有相同的发射极电压和基极电压，因此它们提供相同的电流，因此左侧的电流与参考电流相匹配。

电流镜电路。左边的电流复制右边的电流

电流镜的一个常见用途是替换电阻。在之前已经说过了 IC 内部的电阻器既大又不准确，所以尽可能使用电流镜而不是多个电阻器来节省空间。

此外，与两个电阻产生的电流不同，电流镜产生的电流几乎相同。

交互式芯片

为了说明组件是如何形成芯片的，下面的芯片照片和原理图是交互式的。

交互式芯片图

交互式芯片原理图

因为LM185的三个变种略有不同，所以不得不将三个原理图组合起来形成上面的原理图。红色元件只有LM185-ADJ，绿色元件在LM185-1.2-N，蓝色元件在LM185-2.5-N，青色元件在后两个芯片。主要区别在于反馈电路，但也有其他区别。

带隙参考的工作原理

从 IC 产生稳定电压的主要问题是芯片的参数会随着温度的变化而变化。带隙电压基准通常用于创建与温度无关的电压基准。

诀窍在于它有一个电压随温度下降而另一个电压随温度上升，如果正确组合它们，你将获得随温度稳定的电压。

要产生随温度下降的电压，您你可以将恒定电流通过晶体管并查看基极和发射极之间的电压，称为 V be。下图显示了该电压如何随着温度升高而下降。左边，线击中硅的带隙电压，约 1.2 伏。

晶体管的 Vbe 与温度的关系

如果你以这种方式设置第二个晶体管但电流较低，你可以获得相同的效果，但电压 V be曲线下降得更快。

不过这好像没有什么用，，因为我们需要一个随温度升高的电压。

但诀窍是：如果你减去两个 V 的电压，则差异会随着温度的升高而增加，因为线路之间的距离越来越远，该差称为ΔV be。

下图显示了两个不同晶体管的 V be曲线，你可以看到曲线之间的差异 ΔV be如何随温度增加，即使两条曲线都随温度减小。

带隙参考电压：两个晶体管随温度变化的 Vbe

带隙参考的最后一步是将 V be和 ΔV be组合成正确的比率，因此结果随温度变化。

事实证明，如果这些值与硅的带隙电压（约 1.2 伏）相加，则 V be的下降和 ΔV 的增加被抵消。

在下图中，增加 10 份 ΔV be是正确的比例，正确的比率取决于特定的晶体管。

下图中要注意的重要一点是，随着温度的变化，V be +nΔV be保持不变 - 蓝色 ΔV be线的顶部保持在带隙电压。

通过将 ΔVbe 的倍数与 Vbe 相加，无论温度如何，都能达到带隙电压

在LM185中，关键晶体管是Q10和Q11，其中Q10有10个发射极并联，所以每个都有1/10的电流。

因此，如果你将相同的电流馈入两个晶体管，则 Q10 的 Vbe电压低于 Q11，如上所述。

要注意，Q10 分为两部分：Q11 上方的一半和 Q11 下方的一半。这种布局最大限度地减少了由于芯片上的温度梯度引起的潜在误差。

Q10 的一半会比 Q11 更热，一半会更冷，因此差异将被抵消。

晶体管 Q10 和 Q11 是带隙基准的关键，Q10 有 10 个发射极，因此每个发射极的电流是 Q11 的 1/10。

带隙基准如何在 LM185 中实现

下图显示了带隙基准是如何在 LM185 中实现的。晶体管 Q10 和 Q11由于其相对尺寸而具有不同的 V be电压，这些电压的差异 (ΔV be ) 在 R7 上产生。

由于相同的电流流过 R6、R7 和 R8，根据欧姆定律，R6 上的电压将为 4ΔV be，R8 上的电压将为 6ΔV be 。因此，R6、R7 和 R8 的组合将 ΔV be乘以11。同时，Q14 具有自己的 V be。

LM185中的带隙电路

将右侧的电压相加得出 V be + 11ΔV be，其设计用于匹配 1.2 伏的温度稳定带隙电压。因此，如果反馈输入和 V+ 之间的电压为 1.2 伏，则电路将达到平衡。

如果电压不是 1.2 伏（上面有提过），Q10 和 Q11 将通过不同量的电流。由于电流镜（Q12 和 Q13）试图将相同的电流馈入 Q10 和 Q11，因此任何差异都会在错误输出中显示为电流。

该误差电流被放大并控制输出晶体管，调整电压，直到反馈电压恢复符合要求。因此，即使温度发生变化，电路也能保持所需的电压稳定。

结论

文章有点长，虽然按照现代的标准， LM185 不包含那么多的组件，但它提供了一个稳定、稳压的电压基准。除此以外，LM185 还有一些功能，例如使用保险丝来提高性能和销售变体芯片，还说明了带隙电压调节器的原理。

以上就是今天的分享，希望大家能多多支持我呀。

图片来源于小红书

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