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Bandgap基準(zhǔn)電壓（Bandgap Reference）是模擬集成電路設(shè)計(jì)中非常重要的模塊之一，廣泛應(yīng)用于ADC、DAC、PLL、LDO、PMU 等多種模擬和混合信號(hào)電路中。它的主要功能是提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓參考信號(hào)，不受溫度、工藝和電源電壓變化的影響。
1. Bandgap 基準(zhǔn)電壓的原理概述
Bandgap 基準(zhǔn)電壓電路基于硅基半導(dǎo)體的物理特性，利用兩種互補(bǔ)的溫度特性來生成一個(gè)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(guān)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(dǎo)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(fù)溫度系數(shù)（CTAT, Complementary to Absolute Temperature）。通過精確設(shè)計(jì)Bandgap電路，可以實(shí)現(xiàn)兩者的相互抵消，最終產(chǎn)生一個(gè)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(duì)寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。
2.?Bandgap電路的典型結(jié)構(gòu)
包括以下關(guān)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(fù)溫度系數(shù)的電壓（CTAT）。
差分對(duì)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(luò)：電阻網(wǎng)絡(luò)用于適當(dāng)比例地疊加 PTAT 和 CTAT 電壓，從而得到溫度補(bǔ)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(diǎn)。
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(gè)二極管的不同工作點(diǎn)，可以生成 PTAT 電壓差，進(jìn)而抵消 CTAT 產(chǎn)生的溫度漂移。
3. 設(shè)計(jì) Bandgap 電路的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)
在設(shè)計(jì) Bandgap 基準(zhǔn)電壓電路時(shí)，有幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)需要注意，以確保電路的性能穩(wěn)定，特別是溫度補(bǔ)償效果好，抗噪聲和工藝偏差能力強(qiáng)。
3.1 溫度補(bǔ)償
Bandgap 電路的核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。通過精確調(diào)節(jié) PTAT 和 CTAT 信號(hào)的比例，可以將溫度漂移減小到最小。設(shè)計(jì)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(xì)調(diào)節(jié)和校準(zhǔn)，保證它們?cè)谡麄€(gè)溫度范圍內(nèi)的疊加效果理想。
溫度系數(shù)校準(zhǔn)：調(diào)節(jié)電阻網(wǎng)絡(luò)的比例，精確設(shè)定 PTAT 和 CTAT 電壓的權(quán)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(dòng)，Bandgap 基準(zhǔn)電路的性能可能會(huì)受到影響。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮工藝敏感性，并通過以下方法增強(qiáng)電路的魯棒性：
電流鏡負(fù)反饋：利用電流鏡（Current Mirror）和負(fù)反饋機(jī)制，穩(wěn)定電流源，降低電源電壓變化對(duì)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(shè)計(jì)的匹配性要求
在版圖設(shè)計(jì)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(hào)的部分。常見的匹配性技術(shù)包括：
共中點(diǎn)對(duì)稱布局（Common-Centroid Layout）：通過對(duì)稱排列晶體管，減小由于工藝變化引起的失配誤差。
保護(hù)措施：對(duì)于關(guān)鍵的敏感信號(hào)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(dǎo)致的偏移。
4. Bandgap 電路的具體設(shè)計(jì)實(shí)例
4.1 基礎(chǔ) Bandgap 設(shè)計(jì)
典型的 Bandgap 電路包含兩個(gè)二極管（或者兩個(gè) 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(bǔ)償?shù)妮敵觥?/p>
4.2 低功耗 Bandgap 設(shè)計(jì)
對(duì)于低功耗應(yīng)用，設(shè)計(jì)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(shí)選擇低功耗的運(yùn)算放大器和差分對(duì)。
4.3 高精度 Bandgap 設(shè)計(jì)
高精度 Bandgap 設(shè)計(jì)通常需要增加額外的校準(zhǔn)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(bǔ)償工藝偏差和溫度漂移。同時(shí)，采用更高精度的匹配技術(shù)，如共中點(diǎn)對(duì)稱布局，進(jìn)一步減少失配誤差。
5. Bandgap 電路在實(shí)際應(yīng)用中的考慮
Bandgap 基準(zhǔn)電路廣泛應(yīng)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(duì)系統(tǒng)的整體性能至關(guān)重要。以下是一些在實(shí)際應(yīng)用中的考慮：
5.1 電源管理系統(tǒng)中的應(yīng)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(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)影響輸出電壓。
啟動(dòng)電路：確保 Bandgap 電路能夠在低電壓下快速啟動(dòng)。
5.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)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(guān)重要。設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮：
低噪聲設(shè)計(jì)：通過增加濾波電容或者設(shè)計(jì)低噪聲的運(yùn)放來減少參考電壓中的噪聲。
溫度漂移控制：在精密應(yīng)用中，溫度漂移會(huì)引入系統(tǒng)誤差，必須通過精確的溫度補(bǔ)償技術(shù)加以抑制。
6. 總結(jié)
Bandgap基準(zhǔn)電壓電路是模擬和混合信號(hào)芯片設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵模塊。它通過結(jié)合 PTAT 和 CTAT 特性，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)與溫度變化無關(guān)的穩(wěn)定參考電壓。設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注溫度補(bǔ)償、電源噪聲抑制和工藝偏差的控制。同時(shí)，在版圖設(shè)計(jì)中，保證器件的匹配性和信號(hào)完整性是提升電路性能的關(guān)鍵。
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