模電Bandgap學習筆記

Bandgap基準電壓（Bandgap Reference）是模擬集成電路設計中非常重要的模塊之一，廣泛應用于ADC、DAC、PLL、LDO、PMU 等多種模擬和混合信號電路中。它的主要功能是提供一個穩(wěn)定的電壓參考信號，不受溫度、工藝和電源電壓變化的影響。

1. Bandgap 基準電壓的原理概述

Bandgap 基準電壓電路基于硅基半導體的物理特性，利用兩種互補的溫度特性來生成一個穩(wěn)定的參考電壓。它的核心思想是將帶隙電壓（Bandgap Voltage）與溫度無關的特性加以利用。硅的禁帶寬度大約是 1.2 eV，這意味著在理想情況下，硅帶隙電壓與溫度的變化不敏感。

溫度依賴性分析：在半導體中，電壓的溫度系數(shù)分為正溫度系數(shù)（PTAT, Proportional to Absolute Temperature）和負溫度系數(shù)（CTAT, Complementary to Absolute Temperature）。通過精確設計Bandgap電路，可以實現(xiàn)兩者的相互抵消，最終產(chǎn)生一個溫度系數(shù)非常小的輸出電壓。

典型的Bandgap電路生成1.2V左右的參考電壓。這一電壓值接近硅的禁帶寬度（1.22V），并且可以在相對寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

2.?Bandgap電路的典型結(jié)構

包括以下關鍵部分：

PN結(jié)或二極管： PN結(jié)或二極管用于產(chǎn)生具有負溫度系數(shù)的電壓（CTAT）。

差分對放大器：這一部分用于放大電流或者電壓差異，生成正溫度系數(shù)的電壓（PTAT）。

電阻網(wǎng)絡：電阻網(wǎng)絡用于適當比例地疊加 PTAT 和 CTAT 電壓，從而得到溫度補償?shù)妮敵鲭妷骸?/p>

電流源：提供穩(wěn)定的電流，確保電路工作在一定的操作點。

PN結(jié)的作用：在硅工藝中，二極管的正向壓降（(V_{BE})）隨著溫度的升高而降低，大約為 -2 mV/°C。這就是典型的 CTAT 特性。通過利用多個二極管的不同工作點，可以生成 PTAT 電壓差，進而抵消 CTAT 產(chǎn)生的溫度漂移。

3. 設計 Bandgap 電路的關鍵技術點

在設計 Bandgap 基準電壓電路時，有幾個技術要點需要注意，以確保電路的性能穩(wěn)定，特別是溫度補償效果好，抗噪聲和工藝偏差能力強。

3.1 溫度補償

Bandgap 電路的核心目標是實現(xiàn)溫度補償。通過精確調(diào)節(jié) PTAT 和 CTAT 信號的比例，可以將溫度漂移減小到最小。設計過程中需要確保：

PTAT 與 CTAT 的電壓匹配：PTAT 與 CTAT 兩部分的電壓必須經(jīng)過仔細調(diào)節(jié)和校準，保證它們在整個溫度范圍內(nèi)的疊加效果理想。

溫度系數(shù)校準：調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡的比例，精確設定 PTAT 和 CTAT 電壓的權重，最終得到接近零溫度系數(shù)的輸出電壓。

3.2 工藝和電源電壓的魯棒性

由于制造工藝的變化（process variation）和電源電壓的波動，Bandgap 基準電路的性能可能會受到影響。因此，設計時需要考慮工藝敏感性，并通過以下方法增強電路的魯棒性：

電流鏡負反饋：利用電流鏡（Current Mirror）和負反饋機制，穩(wěn)定電流源，降低電源電壓變化對輸出電壓的影響。

調(diào)節(jié)電阻的工藝敏感性：選擇具有低工藝敏感性的電阻材料，或者通過引入電阻陣列來減小電阻的工藝偏差。

3.3 版圖設計的匹配性要求

在版圖設計中，確保 MOS 管和二極管的匹配性非常重要，特別是那些用于生成 PTAT 和 CTAT 信號的部分。常見的匹配性技術包括：

共中點對稱布局（Common-Centroid Layout）：通過對稱排列晶體管，減小由于工藝變化引起的失配誤差。

保護措施：對于關鍵的敏感信號線，采取 Shielding（屏蔽）措施，以減小噪聲耦合的影響。

電阻匹配：多指令電阻陣列布局用于確保電阻的匹配性，減少電阻值的不一致導致的偏移。

4. Bandgap 電路的具體設計實例

4.1 基礎 Bandgap 設計

典型的 Bandgap 電路包含兩個二極管（或者兩個 Q1、Q2 型晶體管），它們工作在不同的電流密度下。通過將它們的 V_BE 電壓差加到一起，可以生成 PTAT 電壓。然后，該 PTAT 電壓與 CTAT 電壓疊加，從而獲得溫度補償?shù)妮敵觥?/p>

4.2 低功耗 Bandgap 設計

對于低功耗應用，設計需要注重減少靜態(tài)電流。常見的做法是通過使用更高阻值的電阻器來降低電流，同時選擇低功耗的運算放大器和差分對。

4.3 高精度 Bandgap 設計

高精度 Bandgap 設計通常需要增加額外的校準電路，例如數(shù)字控制的電阻陣列或者電流調(diào)節(jié)器，以補償工藝偏差和溫度漂移。同時，采用更高精度的匹配技術，如共中點對稱布局，進一步減少失配誤差。

5. Bandgap 電路在實際應用中的考慮

Bandgap 基準電路廣泛應用于模擬和數(shù)?；旌?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87/">芯片中，特別是在 LDO、PLL、ADC 和 DAC 等模塊中。其穩(wěn)定的參考電壓對系統(tǒng)的整體性能至關重要。以下是一些在實際應用中的考慮：

5.1 電源管理系統(tǒng)中的應用

在電源管理芯片中，Bandgap 電路為 LDO 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的參考電壓。這些模塊要求 Bandgap 電路在寬電源電壓范圍內(nèi)提供穩(wěn)定的輸出。設計時需要注意：

電源抑制比（PSRR）：電路的 PSRR 必須足夠高，以避免電源波動影響輸出電壓。

啟動電路：確保 Bandgap 電路能夠在低電壓下快速啟動。

5.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的應用

在 ADC 和 DAC 電路中，Bandgap 提供的參考電壓直接影響到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度。因此，Bandgap 電路的噪聲性能和精度至關重要。設計時，必須考慮：

低噪聲設計：通過增加濾波電容或者設計低噪聲的運放來減少參考電壓中的噪聲。

溫度漂移控制：在精密應用中，溫度漂移會引入系統(tǒng)誤差，必須通過精確的溫度補償技術加以抑制。

6. 總結(jié)

Bandgap基準電壓電路是模擬和混合信號芯片設計中的關鍵模塊。它通過結(jié)合 PTAT 和 CTAT 特性，實現(xiàn)了一個與溫度變化無關的穩(wěn)定參考電壓。設計時需要重點關注溫度補償、電源噪聲抑制和工藝偏差的控制。同時，在版圖設計中，保證器件的匹配性和信號完整性是提升電路性能的關鍵。

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