運(yùn)算放大器周圍的補(bǔ)償電路是一件有趣的事情，但工業(yè)設(shè)計在現(xiàn)實(shí)中有所不同。 TL431 在反饋系統(tǒng)中的存在是壓倒性的，很少有設(shè)計仍然使用真正的運(yùn)算放大器。 為什么？ 因?yàn)?TL431 已經(jīng)包含一個帶有誤差放大器的穩(wěn)定且精確的參考電壓。 即使它的開環(huán)增益無法與真正的運(yùn)算放大器競爭，它也足以滿足絕大多數(shù)產(chǎn)品定義。
TL431究竟是什么？ 圖 1顯示了器件的內(nèi)部布置。可以觀察到 2.5 V 的參考電壓偏置運(yùn)算放大器反相輸入。
圖1 TL431的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
輸出驅(qū)動雙極晶體管，實(shí)際上使 TL431 成為并聯(lián)穩(wěn)壓器：當(dāng)參考引腳 (R) 上的電壓低于 2.5 V 時，晶體管保持開路，TL431 開路。 一旦電壓超過參考電壓，晶體管就會開始導(dǎo)通，電流就會在器件內(nèi)部循環(huán)。 如果光耦合器 LED 與陰極串聯(lián)，則可以構(gòu)建光隔離反饋系統(tǒng)。 圖 2b 顯示了當(dāng)今大多數(shù)電源如何實(shí)現(xiàn) TL431：這里是典型的反激式轉(zhuǎn)換器。
圖2 典型的反激變換器反饋環(huán)路
TL431 也有不同的精度版本，具體取決于您的需求。 在某些需要低于 2.5 V 的輸出電壓的情況下，TLV431 可能是一個不錯的選擇。 與 TL431 相比，后者還具有更小的最小偏置電流。 這在低待機(jī)功耗設(shè)計中可能是一個很好的優(yōu)勢。 以下數(shù)組比較所有版本。
在圖 2 中，電阻網(wǎng)絡(luò) Rupper Rlower 檢測輸出電壓并偏置 TL431 參考引腳。 當(dāng)輸出高于參考值時，TL431 會降低其陰極電壓并增加 LED 電流。 反過來，這會降低反饋設(shè)定點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)換器提供更少的功率。 相反，當(dāng)輸出低于目標(biāo)值時，TL431 幾乎讓陰極開路并停止向 LED “輸送”電流。 因此，初級反饋允許更多輸出功率，推動轉(zhuǎn)換器增加輸出電壓，直到 TL431 檢測到達(dá)到目標(biāo)。 轉(zhuǎn)換器可以接受兩種不同的光耦合器配置，如解決方案 A 和 B 所述：
解決方案 A：這是常見的發(fā)射極配置，可在流行的控制器（如 ON Semiconductor 的 NCP1200 系列）上找到。 降低 FB 引腳可降低此電流模式控制器中的峰值電流。 該解決方案也存在于基于 UC384X 的設(shè)計中，其中集電極可以直接驅(qū)動內(nèi)部運(yùn)算放大器的輸出。
解決方案 B：在這種共集電極配置中，發(fā)射極將 FB 引腳拉高以降低占空比或峰值電流設(shè)置點(diǎn)。 此選項通常需要控制器內(nèi)部有一個反相放大器。
正如在圖2中看到的，LED 分支被稱為“快車道”，而分配器網(wǎng)絡(luò)被標(biāo)記為“慢車道”。慢速通道使用內(nèi)部運(yùn)算放大器驅(qū)動 TL431 輸出晶體管，并通過電阻網(wǎng)絡(luò)分壓器 Rupper Rlower 固定直流工作點(diǎn)。由于電容器 Czero 的存在，可以引入原點(diǎn)，從而像標(biāo)準(zhǔn)類型 1 放大器那樣滾降增益。唉!在某個頻率范圍之上，由于 Czero 已完全降低增益，因此并聯(lián)穩(wěn)壓器不再充當(dāng)受控齊納二極管。內(nèi)部運(yùn)算放大器仍然固定直流偏置點(diǎn)，但不再交流控制并聯(lián)穩(wěn)壓器，因?yàn)樗脑鲆嬉呀?jīng)通過 Czero 的阻抗變低了。草圖因此簡化為圖3（例如使用解決方案 A），其中 TL431 變成了一個簡單的齊納二極管。對于小信號研究，我們可以用與其內(nèi)部阻抗串聯(lián)的固定電壓替換該二極管，LED 也經(jīng)歷相同的轉(zhuǎn)換。然而，由于這些動態(tài)電阻的總和與 RLED 相比仍然很小，我們可以在最終計算中輕松忽略它們。
圖4 TL431+光耦反饋環(huán)路
根據(jù)基爾霍夫定律：
其中，CTR 表示光耦合器電流傳輸比，這是將晶體管基極收集的光子數(shù)量與其產(chǎn)生的集電極電流聯(lián)系起來的增益：考慮到 LED 壓降和齊納電壓恒定，在小信號分析中，它們的導(dǎo)數(shù)項為零 ， 所以：
一旦理解了工作原理，最終的 TL431 表示就更有意義了，如圖 5所示。 可以看到標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器有一個電容器 Czero，但后面跟著一個代表快車道的加法器網(wǎng)絡(luò)。 請注意，在圖 3 中，LED 連接在次級 LC 濾波器之前。 這樣做是為了避免在 LC 網(wǎng)絡(luò)開始諧振時提供高頻增益。 這種配置是典型的反激式轉(zhuǎn)換器，具有通過 LC 濾波器降低高頻噪聲的功能。 確保該濾波器的諧振頻率至少比選定的交叉頻率高 10 倍，以避免任何相互作用。
圖5 等效分析圖
根據(jù)前面我們分析的，可以得到：
同時除以Vout(s)：
那么輕而易舉得到傳遞函數(shù)：
零極點(diǎn)增益情況：
如果我們想要一個類型 2 的放大器，它是最常見的類型，我們在某處需要一個極點(diǎn) fp。 我們?nèi)绾潍@得它？ 只需在輸出節(jié)點(diǎn)和地之間放置一個電容器如圖6。
圖6 放置在反饋引腳和地之間的簡單電容器會引入一個極點(diǎn)。
如方程所示，原點(diǎn)fpo和零fz重合。 這意味著斜率在 0 dB 軸上發(fā)生了變化，如圖7所示。 由于 TL431 自然帶來的這種問題，交叉頻率處所需的中帶增益 G 簡單地由方程控制。 增益G與 fz 和 fp 的位置無關(guān)。
圖7 當(dāng)零點(diǎn)與原點(diǎn)重合時，斜率變化發(fā)生在 0 dB 軸上。
下一步是找到一種方法來組織零極點(diǎn)放置以獲得良好的補(bǔ)償。敬請期待！