1個很精妙的高精度電壓基準電路

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的電流也會相應的發(fā)生變化，導致431輸出的基準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芯片，比如前文提到過的LT1004；又或者是進行一次預穩(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該等于VCC，因為后續(xù)電路的影響可能達不到，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

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

仔細看了電路個人不是很贊同,只針對帖子電路圖進行分解,也希望和大師交流.
A: TL431當穩(wěn)壓源那輸出會連接負載電路,那初始啟動電流靠R7提供,會不會導致R7提供的電流和負載分壓出來還不夠運放的共模電壓導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)路接成負反饋模式,一旦TL431出現(xiàn)偏差,運放應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+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。
我用的基準是比較便宜的LM399H，自恒溫，我手上的一個LM399H用6位半表校準過為6.90872V，年誤差不超過0.1mV，用于校準直流電壓表的。

ID:137736 · 發(fā)表于 2022-9-25 12:06

有沒有考慮到溫漂？

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