带隙基准设计
带隙基准(bandgap reference)把负温度系数的 与正温度系数的 按比例相加,得到一阶零温度系数的参考电压。它是模拟 IC 中精度最高的基础参考源,也是 低压与曲率补偿带隙 与 带隙基准误差预算 的基准形态。
前后关系
前置知识:PTAT与CTAT电流生成(/ 的温度特性)、运算放大器设计基础(钳位运放的失调与增益) 后续延伸:带隙基准误差预算(误差分解)、低压与曲率补偿带隙(<1.2V 与曲率校正) 外部关联:基准源知识地图(hub)、LDO稳压器设计技术(基准的系统应用)
核心原理
令 :
- 落在硅带隙电压附近(约 1.25 V),故称”带隙”
- 由电阻比实现( 加在电阻上产生 PTAT 电流),电阻比精度决定 TC 零点
- 经典结构:运放钳位两个支路节点,使
温度稳定性预算(一阶补偿后)
| 误差来源 | 贡献 | 典型值 |
|---|---|---|
| 线性项 | 被 PTAT 完全抵消 | ≈ 0 |
| 高阶项 | 曲率(curvature) | ±0.5–2 mV |
| 电阻失配 | 等效温度误差 | ±1–3 mV |
| 运放失调 | 等效温度误差 | ±1–5 mV |
| 总精度 | — | ±10–50 ppm/°C |
曲率与失调的抑制手段见 带隙基准误差预算;将 TC 压到 ±1–5 ppm/°C 需要的二阶补偿见 低压与曲率补偿带隙。
CMOS 兼容实现
- 衬底 PNP:标准 CMOS 用寄生衬底 PNP()替代独立 BJT,发射区面积比仍可精确设定
- 运放选择:钳位运放的失调直接进入基准误差,高精度设计需低失调/斩波运放
- 电阻类型:不同 TC 的电阻组合可补偿;扩散电阻与多晶电阻的电压系数也需评估
- PSRR:带隙的电源抑制依赖运放与电流镜,电源噪声会直接耦合到 ;偏置电源需次稳压(见 偏置网络系统设计)
设计要点
- 电阻比例:决定 ,是 TC 零点的第一自由度
- 运放失调:取 1–5 mV 量级直接转为基准误差,需斩波或修调
- 三极管面积比:决定 大小,通常
- 曲率补偿:高阶项需二阶校正(PTAT² 或数字域校正)
- 启动与偏置分配:自偏置环路必须配启动电路(见 自偏置与启动电路)
设计检查清单
- 全温度范围(−40…125°C)TC 仿真,含工艺角
- 运放失调与噪声的误差贡献核算
- 电阻比与三极管面积比的版图匹配
- PSRR(DC 与频率)与电源噪声耦合路径
- 上电启动与稳态功耗
参考文献
- P. R. Gray et al., Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed., §4.7.4.
- K. E. Kuijk, “A Precision Reference Voltage Source,” IEEE JSSC, 1973.
- A. P. Brokaw, “A Simple Three-Terminal IC Bandgap Reference,” IEEE JSSC, 1974.
- B. Razavi, Design of Analog CMOS Integrated Circuits, Ch.12.