串聯反饋式穩壓電源

一、穩壓電源的質量指標

穩壓電源的技術指標分為兩種：一種是特性指標，包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調節范圍等；另一種是質量指標，用來衡量輸出直流電壓的穩定程度，包括穩壓系數、輸出電阻、溫度系數及紋波電壓等。這些質量指標的含義，可簡述如下。

由于輸出直流電壓VO 隨輸入直流電壓VI（即整流濾波電路的輸出電壓，其數值可近似認為與交流電源電壓成正比）、輸出電流IO 和環境溫度T（℃）的變動而變動，即輸出電壓VO = f（V1，IO，T），因而輸出電壓變化量的一般式可表示為

或

式中的三個系數分別定義如下：

輸入調整因數

KV反映了輸入電壓波動對輸出電壓的影響，實際上常用輸入電壓變化DVI時引起輸出電壓的相對變化來表示，稱為電壓調整率，即

電壓調整率也可定義為：在溫度和負載恒定條件下，輸入電壓變化10%，輸出電壓的變化，單位為mV。

有時也以輸出電壓和輸入電壓的相對變化之比來表征穩壓性能，稱為穩壓系數，其定義可寫為

輸出電阻

Ro反映負載電流IO變化對VO的影響。

溫度系數 (mV/℃)

上述的系數愈小，輸出電壓愈穩定，它們的具體數值與電路形式和電路參數有關。

至于紋波電壓，是指穩壓電路輸出端交流分量的有效值，一般為毫伏數量級，它表示輸出電壓的微小波動。（參見前面的知識點——橋式整流電路的性能分析）

應當指出的是，穩壓系數g 較小的穩壓電路，它的輸出紋波電壓一般也較小。

二、工作原理

圖1是串聯反饋式穩壓電路的一般結構圖，圖中VI是整流濾波電路的輸出電壓，T為調整管，A為比較放大電路，VREF為基準電壓，它由穩壓管DZ與限流電阻R串聯所構成的簡單穩壓電路獲得（可參見齊納二極管一節），R1與R2組成反饋網絡，是用來反映輸出電壓變化的取樣環節。

這種穩壓電路的主回路是起調整作用的三極管T與負載串聯，故稱為串聯式穩壓電路。輸出電壓的變化量由反饋網絡取樣經放大電路（A）放大后去控制調整管T的c-e極間的電壓降，從而達到穩定輸出電壓VO的目的。穩壓原理可簡述如下：當輸入電壓VI增加（或負載電流IO減小）時，導致輸出電壓VO增加，隨之反饋電壓VF=R2VO/（R1+R2）=FVVO也增加（FV為反饋系數）。VF與基準電壓VREF相比較，其差值電壓經比較放大電路放大后使VB和IC減小，調整管T的c-e極間電壓VCE增大，使VO下降，從而維持VO基本恒定。

同理，當輸入電壓VI減小（或負載電流IO增加）時，亦將使輸出電壓基本保持不變。

從反饋放大電路的角度來看，這種電路屬于電壓串聯負反饋電路。調整管T連接成電壓跟隨器。因而可得

或

式中AV是比較放大電路的電壓增益，是考慮了所帶負載的影響，與開環增益AVO不同。在深度負反饋條件下， 時，可得

上式表明，輸出電壓VO與基準電壓VREF近似成正比，與反饋系數FV 成反比。當VREF 及FV 已定時，VO也就確定了，因此它是設計穩壓電路的基本關系式。

值得注意的是，調整管T的調整作用是依靠VF和VREF之間的偏差來實現的，必須有偏差才能調整。如果VO絕對不變，調整管的VCE也絕對不變，那么電路也就不能起調整作用了。所以VO不可能達到絕對穩定，只能是基本穩定。因此，圖1所示的系統是一個閉環有差調整系統。

由以上分析可知，當反饋越深時，調整作用越強，輸出電壓VO也越穩定，電路的穩壓系數g和輸出電阻Ro也越小。

三、帶隙基準電壓源

基準電壓VREF是穩壓電路的一個重要組成部分，它直接影響穩壓電路的性能。為此要求基準電壓輸出電阻小，溫度穩定性好，噪聲低。目前用穩壓管組成的基準電壓源雖然電路簡單，但它的輸出電阻大。故常采用帶隙基準電壓源，其電路如圖1所示。由圖可知，基準電壓為

從原理上說，三極管T3的發射結電壓VBE3可用作基準電壓源，但它具有較高的負溫度系數（–2mV/℃），因而必須增加一個具有正溫度系數的電壓IC2R2來補償。IC2是由T1、T2和Re2構成的微電流源電路提代。其值為

故基準電壓VREF可表示為

如果合理地選擇IC1/ IC2和Rc1/ Rc2的值，即可利用具有正溫度系數的電壓IC2Rc2補償具有負溫度系數的電壓VBE3，使得基準電壓為

那么基準電壓VREF的溫度系數恰好為零。式中的q為電子電荷，EG為硅的禁帶寬度。因此，上述電路常稱為帶隙基準電壓源電路。這種基準電壓源的電壓值較低，溫度穩定性好，故適用于低電壓的電源中。市場上已有這類集成組件可供使用，國產型號有CJ336、CJ329，國外型號有MC1403、AD580等。

這類帶隙基準電壓源還能方便地轉換成1.2V～10V等多檔穩定性極高的基準電壓，溫度系數可達2mV/℃，輸出電阻極低，而且近似零溫漂及微伏級的熱噪聲，它廣泛用于集成穩壓器、數據轉換器（A/D、D/A）和集成傳感器中。