做一個(gè)屬于自己的431芯片，并了解其原理

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簡(jiǎn)介：根據(jù)431基準(zhǔn)電壓芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路，用三極管自制431基準(zhǔn)電壓芯片。

你將會(huì)看到8個(gè)板塊內(nèi)容：

項(xiàng)目簡(jiǎn)介、設(shè)計(jì)方案、電路原理、原理圖設(shè)計(jì)、pcb設(shè)計(jì)、焊接與調(diào)試、項(xiàng)目資料、設(shè)計(jì)圖

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1.1 概述

431電壓基準(zhǔn)芯片為3腳穩(wěn)壓集成電路，431基準(zhǔn)電壓源具有良好的熱穩(wěn)定性能，三端可調(diào)分流，也被稱為電壓調(diào)解器或三端取樣集成電路。

憑借體積小、重量輕、精度高、穩(wěn)定可靠、基準(zhǔn)電壓精密可調(diào)、輸出電流大，且價(jià)格便宜等多種優(yōu)良品質(zhì)，深得工程師和愛(ài)好者的喜歡，廣泛應(yīng)用在各種電源電路中。

目前我們看到的例如TL431、KA431、μA431、LM431等不同名稱的431芯片就是不同廠家所推出的431電壓基準(zhǔn)芯片，那么現(xiàn)在我們來(lái)根據(jù)431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一起來(lái)DIY一款自己的芯片，我把它命名為L(zhǎng)C431。

圖1-1 LC431_TO-92封裝

1.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

用分立器件搭建，深入學(xué)習(xí)電路

使用直插器件，便于初學(xué)者焊接與調(diào)試

板載香蕉頭與排針接口，便于調(diào)試與擴(kuò)展

搭配測(cè)試底板，完成431常規(guī)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)

1.3 應(yīng)用電路

精密基準(zhǔn)電壓源

可調(diào)穩(wěn)壓電路

恒流源電路

電壓比較器

過(guò)電壓保護(hù)電路

二、總體設(shè)計(jì)方案

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

根據(jù)廠商所提供的431數(shù)據(jù)手冊(cè)中，找到如下圖中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖。

如圖可知431基準(zhǔn)電壓源由基準(zhǔn)電壓電路、誤差放大器電路、達(dá)林頓輸出電路和二極管保護(hù)電路所組成。

圖2-1 431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路圖

431的電路符號(hào)如圖2-2所示，其使用方法與穩(wěn)壓管一樣，陰極(K)接高電平，陽(yáng)極(A)接低電平，R為參考基準(zhǔn)端。

圖2-2 431的電路符號(hào)

圖2-3為431的等效功能示意圖，由運(yùn)算放大器、保護(hù)二極管、NPN型三極管以及2.5V的精密基準(zhǔn)電壓源Vref所組成。

參考端(R)接運(yùn)放的同相輸入端，2.5V(Vref)基準(zhǔn)電壓源接運(yùn)放的反相輸入端。

運(yùn)放相當(dāng)于一個(gè)誤差放大器，會(huì)把同相輸入端與反相輸入端的電壓差放大很多倍。

參考端(R)電壓與精密基準(zhǔn)電壓源的2.5V(Vref)電壓相比較，當(dāng)參考端(R)電壓大于2.5V(Vref)時(shí)，運(yùn)放輸出端電壓為高電平，三極管導(dǎo)通，運(yùn)放的輸出端電壓會(huì)隨參考端(R)的電壓增大而增大，形成負(fù)反饋，三極管起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用。

保護(hù)二極管可防止K-A間電源極性接反而擊穿三極管。

圖2-3 431的等效功能框圖

2.2 引腳說(shuō)明

引腳	名稱	功能描述
1	Reference	參考基準(zhǔn)端，是輸出電壓的設(shè)定端
2	Anode	陽(yáng)極，接低電平，使用時(shí)需接地
3	Cathode	陰極，接高電平，使用時(shí)需接電源正極

三、電路原理

431的工作原理是：當(dāng)輸入電壓增大，輸出電壓增大導(dǎo)致輸出采樣增大。

此時(shí)內(nèi)部電路通過(guò)調(diào)整使得流過(guò)自身的電流增大，這也就使得流過(guò)限流的電阻增大，壓降增大。

而輸出電壓等于輸入電壓減去限流電阻壓降增大使得輸出電壓減小，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的功能。

3.1 基準(zhǔn)電壓電路

20世紀(jì)70年代初,維徳拉(Widlar)首先提出能帶間隙基準(zhǔn)電壓源的概念,簡(jiǎn)稱帶隙(bandgap)電壓，基準(zhǔn)電壓源是一種用來(lái)作為電壓標(biāo)準(zhǔn)的高穩(wěn)定度電壓源。

目前，它已被廣泛用于各種集成線性穩(wěn)壓器。

三極管Q1～Q4與電阻R1～R4組成2.5V基準(zhǔn)電壓電路，如圖3-1所示，電路工作時(shí)，參考端(R)相對(duì)陽(yáng)極(A)有2.5V的電壓差，3.1章節(jié)的下文將對(duì)電路進(jìn)行分析。

圖3-1 基準(zhǔn)電壓電路

在27℃或300K時(shí)，三極管基極與發(fā)射極的壓降VBE=VTln(IC/IS)。

其中，VT為溫度的電壓當(dāng)量，IC為集電極電流，IS為飽和電流（與發(fā)射極大小成正比）。

溫度電壓當(dāng)量VT=KT/q。

其中，K是玻爾曼常數(shù)（1.38×10^-23J/K），T為熱力學(xué)溫度，即絕對(duì)溫度（300K），q是電子電荷（1.6×10^-19C）。在常溫下，VT≈26mV 。

基準(zhǔn)電壓源的表達(dá)式為：VREF=VR1+VR2+VBE1+VBE3

由于三極管Q3和Q4的集電極電壓相同，并且R3的電阻值是R2的3倍，故流過(guò)Q3的電流是Q4的3倍。

設(shè)Q4的電流為I，故流過(guò)Q3的電流即為3I，流過(guò)R1的電流為R2和R3電流之和，即為4I。

為了得到溫度補(bǔ)償，將Q4用2個(gè)三極管并聯(lián)，即Q3和Q4相對(duì)面積為1：2，設(shè)Q3的飽和電流為IS，故Q4的飽和電流為2IS。

由公式VBE=VTln(IC/IS)及VBE3=VBE4+IR4得，Q3集電極的電壓VBE3=VTln(3I/IS)=VTln(I/2IS)+IR4，化簡(jiǎn)整理可得：

設(shè)定三極管壓降為580mV，可以得到431參考端(R)的基準(zhǔn)電壓：VREF=VR1+VR2+VBE1+VBE3=818+446+580+580=2.43V

實(shí)際制作時(shí)，基準(zhǔn)電壓值有一些出入，一般在2.5V左右。

3.2 誤差放大器電路

三極管Q1～Q4與電阻R1～R4組成誤差放大器（差動(dòng)放大器）電路，誤差放大器的作用是通過(guò)比較取樣電壓(VQ)，與基準(zhǔn)電壓(VREF)之問(wèn)的誤差値來(lái)產(chǎn)生誤差電壓(Vσ)，Vσ負(fù)反饋給VREF進(jìn)而調(diào)節(jié)使輸出電壓維持不變。

圖3-2 誤差放大器電路

3.3 達(dá)林頓輸出電路

使用了達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，組成達(dá)林頓管輸出電路。

達(dá)林頓管又叫復(fù)合三極管，它采用復(fù)合連接方式將兩個(gè)或多個(gè)三極管的集電極連在一起，第一個(gè)三極管的發(fā)射極直接耦合到第二個(gè)三極管的基極，依次連接而成，最終引出B、C、E三個(gè)電極。

圖3-3 達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)

這樣組成的達(dá)林頓管具有增益高、開關(guān)速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

使用時(shí)，可以直接把達(dá)林頓管看成是一個(gè)具有高電流放大系數(shù)的高性能三極管。

如果單個(gè)晶體管的增益為10，那么2個(gè)晶體管組成的達(dá)林頓管的增益將達(dá)到10×10=100倍。

隨著三極管個(gè)數(shù)的增加，達(dá)林頓管的Vbe導(dǎo)通電壓也會(huì)隨之增加。

圖3-4 達(dá)林頓輸出電路與二極管保護(hù)電路

應(yīng)注意的是，達(dá)林頓管由于內(nèi)部由多只管子及電阻組成，用萬(wàn)用表測(cè)試時(shí)，be結(jié)的正反向阻值與普通三極管不同。

對(duì)于高速達(dá)林頓管，有些管子的前級(jí)be結(jié)還反并聯(lián)一只輸入二極管，這時(shí)測(cè)出be結(jié)正反向電阻阻值很接近，容易誤判為壞管，請(qǐng)注意。

3.4 二極管保護(hù)電路

根據(jù)二極管單向?qū)�通特性，本�?xiàng)目中用二極管設(shè)計(jì)組成保護(hù)電路，在達(dá)林頓輸出電路中末級(jí)三極管的集電極與發(fā)射極之間反向并聯(lián)一只阻尼二極管，以防止突然斷電時(shí)三極管被擊穿，而且能避免陰陽(yáng)極接反時(shí)，損壞431芯片。

四、原理圖設(shè)計(jì)

4.1 新建工程

打開立創(chuàng)EDA。

創(chuàng)建工程并命名：【模擬電路】431基準(zhǔn)電壓源；

將原理圖文件命名：SCH_431基準(zhǔn)電壓源。

根據(jù)以下電路進(jìn)行繪制電路原理圖。

圖4-1 SCH_431基準(zhǔn)電壓源

4.2 器件選型

在本項(xiàng)目的元器件選型中。

三極管使用：NPN型的9014以及PNP型的9012；

電阻選擇：1/4W的直插電阻；

芯片引腳用：排針與香蕉頭接口引出。

便于安裝與測(cè)試。

所有器件可直接在立創(chuàng)EDA的元件庫(kù)中進(jìn)行搜索，如果對(duì)元器件不熟悉，也可以通過(guò)復(fù)制物料中的商品編號(hào)進(jìn)行搜索（每一個(gè)元器件在立創(chuàng)商城都有唯一的商品編號(hào)）。

如果出現(xiàn)物料缺貨情況，亦可選擇其他可替換物料。

通過(guò)以上電路的分析，相信聰明的你對(duì)各個(gè)元器件在電路中的作用有所了解。那么更換個(gè)別物料也不會(huì)影響到電路的工作性能的。

了解電路工作特性后，電路選型也就變得簡(jiǎn)單了。

圖4-2 元器件搜索示意圖

圖4-3 通過(guò)商品編號(hào)搜索示意圖

4.3 物料清單

五、PCB設(shè)計(jì)

完成原理圖設(shè)計(jì)后，經(jīng)過(guò)檢查電路與網(wǎng)絡(luò)連接正確后點(diǎn)擊頂部菜單欄的 “設(shè)計(jì)”→ “原理圖轉(zhuǎn)PCB”（快捷鍵為Alt+P），隨即會(huì)生成一個(gè)PCB設(shè)計(jì)界面。

可先暫時(shí)忽略彈出的邊框設(shè)置，然后將PCB文件保存到工程文件中。

命名為：PCB_431基準(zhǔn)電壓源設(shè)計(jì)。

5.1 邊框設(shè)計(jì)

在繪制PCB前需根據(jù)個(gè)人意愿以及元器件數(shù)量所占空間確定PCB的形狀及邊框大小，若無(wú)特殊外殼要求，一般設(shè)計(jì)成矩形、圓形以及正方形。

在設(shè)計(jì)該項(xiàng)目時(shí)，秉承著大小合適，美觀大方的原則，我們?cè)陧敳抗ぞ卟藛螜谙碌倪吙蛟O(shè)置選型中設(shè)定了一個(gè)長(zhǎng)100mm、寬70mm、圓角半徑為2mm的圓角矩形。

實(shí)際板框大小會(huì)隨著布局布線進(jìn)行調(diào)整，如果太小可適當(dāng)放大，太大也可縮小邊框，風(fēng)格樣式可自由發(fā)揮，但盡量控制在10cm*10cm之內(nèi)，這樣就可以在嘉立創(chuàng)免費(fèi)打樣啦～

圖5-1 邊框設(shè)置

圖5-2 431基準(zhǔn)電壓源邊框示意圖

5.2 PCB布局

在繪制完板框外形后，接下來(lái)進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的第二步——對(duì)元器件進(jìn)行分類和布局。

分類指的是按照電路原理圖的功能模塊把各個(gè)元器件進(jìn)行分類。

圖中有很多三極管和電阻，但哪一個(gè)三極管和電阻是連到一起的呢？

這里需要我們用到立創(chuàng)EDA所提供的布局傳遞功能。

首先，確保PCB工程已保存到原理圖文件的同一個(gè)工程文件夾中，然后框選原理圖中的某一電路模塊。

比如：

1.選中二極管保護(hù)電路；

2.點(diǎn)擊頂部菜單欄中的 ”工具” → ”布局傳遞“ （快捷鍵為Ctrl+Shift+X）。

如此一來(lái)，PCB頁(yè)面所對(duì)應(yīng)的元器件就能進(jìn)行選中并按照原理圖布局進(jìn)行擺放，使用這個(gè)方法將各電路模塊進(jìn)行分類，然后依次擺放在前面所放置的邊框中。

在布局的時(shí)候注意擺放整齊，可根據(jù)飛線的指引進(jìn)行擺放，按照原理圖信號(hào)的流向和器件連接關(guān)系進(jìn)行擺放，是可以把原理圖器件擺放非常整齊的。

在布局的過(guò)程中注意接口位置，比如：我們把排針以及香蕉頭接口按照左右下擺放。

布局參考如圖5-3所示。

圖5-3 PCB布局參考圖（飛線已隱藏）

5.3 PCB走線

接下來(lái)進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)的第三步——PCB走線。全稱為印刷電路板布線（PCB layout）。

由于電路板有頂面與底面兩個(gè)面，在PCB走線也就可以分為頂層和底層走線。

其中頂層走線默認(rèn)是紅色線，底層為藍(lán)色線，也可按照個(gè)人喜好設(shè)置其他顏色，走線也就是在電路板中按照飛線連接導(dǎo)線，將相同的網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)即可。

首先選擇層與元素中要走線的層，然后點(diǎn)擊導(dǎo)線工具進(jìn)行連線（快捷鍵為W）。

看似簡(jiǎn)單的連連看，其中需要我們耐心地進(jìn)行調(diào)整。

元器件的擺放布局也會(huì)影響走線的難度，所以還需要在走線過(guò)程中進(jìn)一步調(diào)整布局，進(jìn)一步優(yōu)化。

前面所介紹的PCB布局相當(dāng)于是在給走線做鋪墊，布局好了，走線也就自然順暢了。

在該項(xiàng)目的走線中提供以下幾點(diǎn)參考建議：

（1）電源線設(shè)置為35mil，信號(hào)線設(shè)置為20mil寬度

（2）走線以頂層走線為主，走不通的可以切換到底層進(jìn)行連接

（3）走線過(guò)程中優(yōu)先走直線，需要拐彎的地方以鈍角或圓弧拐彎為主

（4）最后加上淚滴，添加絲印標(biāo)記該P(yáng)CB板的尺寸以及接口功能

布線參考如圖5-4所示，初次設(shè)計(jì)可參考下圖進(jìn)行走線，也可自由設(shè)計(jì)，屬于你的431基準(zhǔn)電壓源芯片。

圖5-4 PCB走線參考圖

圖5-5 PCB-3D預(yù)覽圖

六、焊接與調(diào)試

6.1 硬件焊接

拿到板子和元器件后應(yīng)先檢查物料是否有缺失和遺漏，檢查無(wú)誤后再進(jìn)行焊接。

焊接原則是先低后高。

首先把電阻，電容和二極管焊接到板子上，然后再焊接三極管，排針，最后安裝香蕉頭接口。

直插器件的焊接方法如下圖所示。

注意：

焊接時(shí)對(duì)準(zhǔn)位置，檢查元器件型號(hào)是否正確，錫線是否虛焊，避免影響電路性能，導(dǎo)致電路不能正常工作。

圖6-1 電阻焊接操作圖

圖6-2 三極管焊接操作圖

圖6-3 PCB裝配圖

圖6-4 未焊接PCB板

圖6-5 PCBA實(shí)物圖

圖6-6 PCB-3D預(yù)覽圖

6.2 硬件調(diào)試

完成焊接第一步，切勿直接上電測(cè)試，即使你很興奮，順利完成了元器件的焊接，但也不能心急。

焊接完成后需要使用萬(wàn)用表檢查電源與地是否短路，焊接過(guò)程中有沒(méi)有出現(xiàn)短路以及斷路的情況，檢查無(wú)誤后方能進(jìn)行上電測(cè)試。

首先測(cè)試是否有基準(zhǔn)電壓：

將電路板上K端引線和R端引線接在一起，串接1個(gè)1K電阻，再接12V直流電源正極，A端接電源負(fù)極，電路如圖6-4所示，實(shí)物連接圖如圖5所示。

測(cè)輸出電壓(K、A端之間電壓）為2.5V左右，如偏離太多，應(yīng)檢查電路板元件是否焊錯(cuò)，錫線是否虛焊等。

圖6-7 基準(zhǔn)電壓測(cè)試圖

圖6-8 基準(zhǔn)電壓測(cè)試連接圖

基準(zhǔn)電壓精度測(cè)試按圖6-8電路實(shí)物裝置，測(cè)5V~10V的不同輸入電壓。

如下方圖6-9所示，得到一組基準(zhǔn)電壓的值如表6-1所示。

可以看出基準(zhǔn)電壓在2.45V不變。

表6-1 5V~10V輸入電壓測(cè)基準(zhǔn)電壓表

圖6-9 基準(zhǔn)電壓測(cè)試圖

最后測(cè)試5V輸出電壓，將電路板上K端串聯(lián)1個(gè)2K電阻和R端接在一起，K端串聯(lián)1個(gè)470Ω電阻，再接直流電源正極，R端串聯(lián)1個(gè)2K電阻和A端接在一起，A端接直流電源負(fù)極，如圖6-10所示。

測(cè)輸出電壓(K、A端之間電壓）為5V左右，如偏離太多，應(yīng)檢查電路板元件是否焊錯(cuò)，錫線是否虛焊等。

圖6-10 穩(wěn)壓輸出測(cè)試圖

圖6-11 穩(wěn)壓輸出測(cè)試連接圖

穩(wěn)壓電壓精度測(cè)試按圖6-11電路實(shí)物裝置，測(cè)7V~12V的不同輸入電壓，如圖6-12所示，得到一組基準(zhǔn)電壓的值如表6-2所示。

可以看出穩(wěn)壓電壓在4.9V左右。

表6-2 7V~12V輸入電壓測(cè)穩(wěn)壓輸出電壓表

圖6-12 穩(wěn)壓輸出測(cè)試圖

七、項(xiàng)目資料

特別感謝俞虹老師為該項(xiàng)目所提供的資料支持~

八、設(shè)計(jì)圖

原理圖

PCB圖

3D圖

按這樣的步驟，屬于我的LC431芯片就完成啦！你也快去試試吧！

你還有什么想要補(bǔ)充的嗎？或者有什么疑惑？歡迎評(píng)論！

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