电压调节器的工作原理与设计要点

发表于 2021-4-7 11:40

本贴意图：演示一下，学电路，本质上就是学模型的，有了模型，一切都好办。

一、模拟电压调节器的分类

传统的模拟调节器，按照有无大的反馈环，可分为基本型和反馈型。

注意这个分类方法容易让喜欢抬杠的人，找到毛病--------即便是两个电阻分压，理论上也是负反馈，想让模拟电压调节器没有反馈是不可能的，所以这里定义成基本型，而不是说无反馈型。

二，电压调节器的基本考虑

既然是电压调节器，根本目的是让输入电源中的缓慢变化的分量尽可能地减小到输出端，所以抑制电源纹波或噪声是首要的考虑。
既然是电压输出，当然希望输出阻抗尽可能的低。

这两个基本要求，是衡量一个电压调节器的优劣的判据。

登录 · 发表于 2021-4-7 11:56

三，基本型电压调节器工作原理

基本型稳压器是由齐纳二极管为核心器件，配以降压电阻Rs而构成。

说到稳压二极管，这里有个很有趣的问题：如果这种二极管的掺杂浓度继续提高，高到简并的程度，会发生什么？

根据能带图可见，掺杂浓度升高，反相击穿电压降低，甚至能低到比二极管的正向压降还要低，理论上无需外加偏置电压，它就能击穿了。

这就是所谓的【反向二极管】，反向工作时的导通电压特别低，适合小信号整流等应用。

登录 · 发表于 2021-4-7 12:08

本帖最后由 xukun977 于 2021-4-7 12:10 编辑

由于工作于较高的反偏电压下的突变PN结，其击穿特性类似于气体管的汤森放电现象，所以请注意了，所有的放电过程，本质上都是噪声的产生过程，所以把齐纳管偏执于下图所示的尖锐拐角处，正常工作时，工作点以该点为中心，来回左右晃动，由于两侧都是接近突变点，所以噪声是非常大的，所以要尽量避免。

这就对齐纳二极管的提出第一个要求----①噪声产生特性

电路设计中关心的问题还有②齐纳管的击穿电压、③齐纳管的导通电阻、④齐纳管的温度特征

关于③导通电阻，当然希望导通电阻越小越好，所以此时对应齐纳二极管的最小供电电流Imin，倘若电流低于此值，导通电阻会高于期望的某个临界值。一般情况下几百uA的电流下，齐纳管的导通电阻是数百欧姆，电流高到mA级，可以让导通电阻为几个欧姆。考虑到噪声特性，一般电流要尽可能地高于拐点处对应的电流，此外，一般在任何情况下，都要在稳压二极管上并联一个电容，来旁路交流纹波，所以噪声问题也容易解决。

登录 · 发表于 2021-4-7 20:36

本帖最后由 xukun977 于 2021-4-7 20:46 编辑

模拟电路的特点，是多个指标相互制衡，导致元件值的选取是左右为难。

例如，这里的电阻Rs的选取，普通教材上给的设计流程，几乎是一气呵成，毫无难点。

从提高电路效率的角度看，我们希望Rs尽可能地小，但是Rs又不能太小，要保证稳压管不会过热烧毁。
从纹波的抑制以及电源抑制的角度看，我们希望Rs尽可能地大。

而且当输出电流在大范围内变化时，稳压二极管的导通电阻可能会从几欧姆（负载电流小时）变化到几十欧姆（负载电流大时）

所以，为了摆脱这种尴尬局面，可以加个三极管T：

对于这种并联型电压调节器，结果还是很尴尬，因为使用两次分压公式，可得下面的电压增益函数：

对于电阻Rs的选取，一方面希望它尽可能地小，让稳压二极管工作于低阻抗、低噪区。

但是根据上面的电压增益表达式可知，电阻Rs变小，意味着输出纹波会增大。所以电阻Rs的选取，仍旧是左右为难。

这就是模拟电路的特点。

登录 · 发表于 2021-4-7 20:56

本帖最后由 xukun977 于 2021-4-7 21:02 编辑

所以教材上会接着介绍反馈型稳压电路，如下图所示：

下面计算电压增益函数，看看噪声抑制能力：

假设r1为2500欧姆，β=20，本征增益gm*r1=40，那么输出阻抗是3欧姆左右。

使用同样的参数，Vout/Vs=1/3000

也就是说，输入纹波能减小3000多倍。

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