介紹了三種精密電壓調(diào)節(jié)器TL431的應(yīng)用電路：不平衡直流電橋輸出信號(hào)的穩(wěn)定和線性化電路，恒流源電路，4～20mA/0～5V電流電壓轉(zhuǎn)換電路。分析了電路工作原理，給出了電路設(shè)計(jì)方法。所設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單、新穎、實(shí)用。可廣泛用于模擬電子電路，特別是傳感器的信號(hào)調(diào)理電路中。由于采用了精密電壓調(diào)節(jié)器TL431做基準(zhǔn)電壓源，因此電路精度高，穩(wěn)定性能好。

　　1、TL431簡(jiǎn)介

　　TL431是精密電壓調(diào)節(jié)器，利用兩只外部電阻可設(shè)定2.5～36V范圍內(nèi)的任何基準(zhǔn)電壓值。其電壓溫度系數(shù)很小，為30×10-6℃，動(dòng)態(tài)阻抗低，典型值為0.2Ψ。TL431的等效電路如圖1所示。圖中A為陽極，使用時(shí)需接地，K為陰極，需經(jīng)限流電阻接正電源;VREF是輸出電壓U的設(shè)定端，外接電阻分壓器。其中誤差放大器A同相輸入端接從電阻分壓器得到的取樣電壓，反相輸入端則接內(nèi)部2.5V基準(zhǔn)電壓UREF，VREF端的電壓常態(tài)下應(yīng)為2.5V，因此也稱基準(zhǔn)端。晶體管VT在電路中起到調(diào)節(jié)負(fù)載電流的作用。

　　圖1 ?TL431等效電路

　　TL431性能優(yōu)良，價(jià)格低廉，現(xiàn)廣泛用于開關(guān)電源或線性穩(wěn)壓電源中，本文用TL431構(gòu)成輸出穩(wěn)定和線性化的電橋電路、精密恒流源電路、IV轉(zhuǎn)換電路。

　　2、電橋輸出信號(hào)的穩(wěn)定和線性化電路

　　圖2 ? 不平衡直流電橋電路

　　傳感器的信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)常要用到單臂不平衡直流電橋，如圖2（a）所示［2］。某一非電量，例如壓力或溫度引起橋臂電阻變化ΔR，電橋失去平衡，產(chǎn)生輸出電壓ΔU0，通過測(cè)量該不平衡輸出電壓可以求得ΔR，從而求出非電量的大小。圖2（a）中ΔU0為：

　　由于電橋輸出ΔU0與ΔR是非線性關(guān)系，需作線性化處理。在測(cè)控技術(shù)中通常的硬件處理辦法是增加非線性校正電路，結(jié)果使信號(hào)調(diào)理電路變得很復(fù)雜。圖2（b）所示電路，利用TL431設(shè)計(jì)了線性化的不平衡直流電橋，很簡(jiǎn)單地解決了非線性的問題。圖2（b）中ΔU0為

　　可見電橋輸出ΔU0與ΔR成線性關(guān)系。從上式還可以看到輸出與供橋電壓無關(guān)，供橋電壓的變化不會(huì)影響輸出電壓。也即，電橋采用四線制長(zhǎng)電纜的長(zhǎng)短、導(dǎo)線周圍的環(huán)境溫度以及供橋電壓的變化不會(huì)影響電橋的輸出。因此圖2（b）所示電橋電路輸出電壓穩(wěn)定，并且實(shí)現(xiàn)了線性化輸出。

　　3、恒流源電路

　　圖3 ?恒流源電路

　　恒流源是模擬集成電路中廣泛使用的一種單元電路，傳感器的信號(hào)調(diào)理電路也經(jīng)常要用到恒流源。采用TL431可以構(gòu)成精密恒流源電路。電路如圖3所示。輸出電流為

　　式中β為三極管的電流放大倍數(shù)。應(yīng)選取β較大的三極管，例如9015，其β約為150，也可以選用復(fù)合管。β值越大，溫漂系數(shù)越小，恒流值越穩(wěn)定。運(yùn)放A應(yīng)選用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，例如CA3140。

　　4、IV轉(zhuǎn)換電路

　　在計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，經(jīng)常選用具有一定功能的電動(dòng)組合單元作為系統(tǒng)的一部分，對(duì)于電動(dòng)組合單元DDZ-Ⅲ型，其輸出信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)為4～20mADC。而一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)信號(hào)輸出只是電壓信號(hào)，它能處理的也只有電壓信號(hào)，因此需要電流電壓轉(zhuǎn)換。

　　圖4為采用TL431設(shè)計(jì)的4～20mA0～5V電流電壓轉(zhuǎn)換電路。該電路設(shè)計(jì)思路如下：

　　圖4 ? 4～20mA/0～5V轉(zhuǎn)換電路

　　首先4～20mA電流經(jīng)過電阻x變?yōu)椋?～20mA）x的電壓，再減去基準(zhǔn)電壓y，得到輸出電壓UO=（4～20mA）x（kΨ）-y（V）。因?yàn)?mA電流對(duì)應(yīng)輸出電壓0V，20mA電流對(duì)應(yīng)輸出電壓5V，所以

　　解上述兩個(gè)方程，得到x=5/16kΨ，y=5/4V

　　于是輸出電壓U0=（4～20mA）×5/16（kΨ）-5/4（V）

　　圖4中U0=（4～20mA）R（1+Rf/R1）-Rf/R1*VREF=（4～20mA）R×1.5-0.5×2.5，式中R=（5/16）/1.5=208.33Ψ，R采用200Ψ固定電阻和10Ψ微調(diào)電阻串聯(lián)。

　　5、結(jié)束語

　　本文采用TL431設(shè)計(jì)了輸出電壓穩(wěn)定的線性不平衡電橋、精密恒流源和IV轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、新穎、實(shí)用，可廣泛用于模擬電子電路，特別是傳感器的信號(hào)調(diào)理電路中。由于精密電壓調(diào)節(jié)器TL431在電路中做基準(zhǔn)電壓，因此電路精度高，穩(wěn)定性能好。