bandgap基本知识(转载)

探讨了三种获得与温度无关的恒定电压方法,重点介绍了带隙基准(bandgap reference)原理,包括正温度系数电压和负温度系数电压的获取方式及在电路中的应用。

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经常看资料的时候看到bandgap的字样,但是一直都不是很清楚确切的意思,在网上搜了点资料,一起学习。    


有三种获得与温度无关的恒定电压的方法,一种是利用齐纳二极管的反向击穿电压,也就是稳压二极管,第二种是利用耗尽MOS管和增强型MOS管的阈值电压的差值,第三种是利用负温度系数的pn结电压加上一个与温度成正比的电压来相互抵消,得到与温度无关的参考电压。

第一种方法现在不常用,因为齐纳二极管的反向击穿电压比大多数应用的电源电压还高,第二种在多数CMOS工艺中也用不上,因为多数CMOS工艺中只制造增强管,不制造耗尽管。第三种方法是现在用得最多的,也就是常说的bandgap reference,中文称为带隙基准。

要怎样得到第三种方法中说的正温度系数电压和负温度系数电压呢?

先说正温度系数电压,pn结电流与结电压的关系为指数关系,即I=Is exp(qV/kT),其中Is为pn结反向饱和电流,对于三极管的be结来说(CMOS工艺中如何得到三极管下面再说),be结电流为基极和集电极电流之和,忽略基极电流,则be结电流与集电极电流相等,Ic=Is exp(qVbe/kT),则be电压Vbe=(kT/q)ln(Ic/Is)。与绝对温度成正比。如果有两个Vbe相减,则得 Vbe1-Vbe2=(kT/q)ln(Ic1/Ic2),与绝对温度成正比,而且与Ic,Is的具体值无关,只与两只管子的Ic的比值相关。

对于负温度系数的电压,是在1967年,有人[Brugler,1967]计算出be结电压的数值具有负温度系数。这里直接给出公式:
Vbe=Vg0(q- T/T0)+Vbe0T/T0+mkT/q ln(T0/T) + kT/qln(Jc/Jc0),其中Vg0为0开尔文温度时的硅原子禁带宽度电压,T0为某一参考电压,m为一个值大约为2.3的温度常数,Vbe0为温度T0下的be电压,Jc为温度T(即当前温度)进的be结电流密度,Jc0为温度T0时的结电流密度。

这样,通过搭配适当的这两个值的和,就可以得到一个在T时与温度无关的电压量,求搭配系数的方法,就是将两者的和对温度取微分,再令微分结果为0即得到两者的比例关系。计算后得到的与温度无关的电压量刚好等于硅禁带宽度加上一个小电压量,因此就称这样得到的电压为 “带隙基准”。

电路中如何让这两者相加呢?对于Vbe,可以直接利用,对于Vbe1-Vbe2则一般是通过其差值加在电阻上转换成电流,再将相同的电流流过加在三极管集电极上的电阻上间接得到Vbe1-Vbe2,这样两者相加,就得到了与温度无关的量。

参考资料:<Analog Integrated Circuit Design>(David Johns,Ken Martin)P353

 

转自: http://stonemybaby.blog.sohu.com/144870877.html

 

 

<think>好的,用户问的是“怎么理解bandgap”,也就是带隙。首先,我需要确定用户的背景。他们可能是电子工程的学生或者刚入行的工程师,想了解带隙的基本概念和应用。也有可能他们在学习模拟电路设计,特别是电源管理或者参考电压源相关的知识。 接下来,我要考虑用户的需求层次。他们可能不仅仅想知道带隙的定义,更想了解其工作原理、在电路中的作用以及常见的设计考量。比如,带隙电压基准电路为什么能在温度变化时保持稳定,这是关键点。 用户可能没有直接问到的深层需求是实际应用中的问题,比如如何设计一个带隙电路,或者为什么带隙结构能提供稳定的电压。这时候,我需要结合理论和实际应用来解释,确保他们能理解其重要性和设计要点。 我需要先解释带隙的基本概念,即半导体材料的能带结构中价带和导带之间的能量差。然后扩展到带隙电压基准电路,说明其如何利用半导体特性产生稳定的参考电压。要区分带隙本身和带隙电路的不同,避免混淆。 还要注意用户可能容易混淆的地方,比如带隙电压基准与齐纳二极管等其他基准源的区别。这时候需要比较它们的优缺点,比如温度稳定性、精度等。 另外,需要提到带隙电路的结构,比如使用双极晶体管的比例电流源,以及如何通过正负温度系数电压的叠加实现温度补偿。这部分可能需要用简单的公式或示意图来辅助说明,但在文本回答中需要用语言描述清楚。 最后,总结带隙电路的应用场景,比如在ADC、DAC、LDO稳压器等中的使用,强调其在现代电子系统中的重要性。这样用户不仅能理解理论,还能看到实际应用的价值,满足他们的学习或工作需求。</think>带隙(Bandgap)是半导体物理和模拟集成电路设计中的重要概念,尤其在电压基准源(Voltage Reference)设计中应用广泛。以下从 **物理本质** 和 **电路实现** 两个角度进行说明: --- ### **1. 物理本质:半导体能带理论** - **定义**: 带隙是半导体材料中 **价带(Valence Band)顶部** 到 **导带(Conduction Band)底部** 之间的能量差(单位:eV)。 - 绝缘体带隙宽(>5eV,如金刚石5.5eV) - 半导体带隙中等(如硅1.12eV,砷化镓1.42eV) - 导体带隙趋近于0(如金属) - **核心特性**: - 带隙决定材料的导电性:电子需跨越带隙才能参与导电。 - 温度敏感性:带隙宽度随温度变化(硅的带隙温度系数约为-2mV/°C)。 --- ### **2. 电路实现:带隙电压基准(Bandgap Voltage Reference)** - **目标**: 利用半导体材料的带隙特性,生成一个 **与温度无关的稳定参考电压**(通常约1.2V,接近硅的带隙电压)。 - **工作原理**: 通过巧妙组合 **正温度系数电压(PTAT)** 和 **负温度系数电压(CTAT)**,实现温度补偿: - **PTAT**:与绝对温度成正比,例如双极型晶体管(BJT)的ΔV<sub>BE</sub>。 - **CTAT**:与温度成反比,例如单管BJT的V<sub>BE</sub>(约-2mV/°C)。 - **公式**:V<sub>REF</sub> = V<sub>BE</sub> + K·ΔV<sub>BE</sub>(通过调节K值抵消温度影响) - **经典电路结构**: ```verilog // 简化的Brokaw带隙核心结构 Q1、Q2:比例电流下的BJT(面积比N:1) R1、R2:电阻网络 OPAMP:确保节点电压平衡 ``` - 通过电阻比例和BJT面积比,精确控制PTAT与CTAT的叠加。 --- ### **3. 关键设计考量** | **参数** | **影响** | **优化方法** | |--------------------|----------------------------------------|-----------------------------------| | **温度系数(TC)** | 决定输出电压稳定性(典型值<10ppm/°C) | 调整电阻比例和BJT面积比 | | **电源抑制比(PSRR)** | 抑制电源噪声对输出的影响 | 增加共源共栅结构或LDO稳压 | | **工艺偏差** | 导致V<sub>REF</sub>绝对值偏移 | 加入修调电路(Trim Network) | | **启动电路** | 避免电路陷入零电流状态 | 设计可靠的启动机制(Startup Circuit) | --- ### **4. 与其他基准源的对比** | **类型** | **带隙基准** | **齐纳二极管** | **低压差稳压器(LDO)** | |------------------|----------------------|----------------------|--------------------------| | **电压值** | ~1.2V | 5-6V(击穿电压) | 可调(如3.3V, 5V) | | **温度稳定性** | 优(温度补偿设计) | 差(依赖工艺) | 一般(依赖反馈环路) | | **功耗** | 中低(μA-mA级) | 高(需击穿电流) | 中高(与负载相关) | | **应用场景** | 高精度ADC/DAC参考源 | 旧式高压系统 | 电源稳压 | --- ### **5. 实际应用示例** - **ADC/DAC**:提供精确的参考电压,确保转换精度。 - **LDO稳压器**:作为误差放大器的基准,提升稳压性能。 - **温度传感器**:结合带隙基准与PTAT电流,实现温度测量。 --- ### **常见误区** - **误区1**:认为“带隙基准电压=材料带隙电压” ➠ 实际是理论推导值(硅的1.2V ≠ 实际带隙1.12eV)。 - **误区2**:忽略工艺角(Process Corner)影响 ➠ 需通过蒙特卡洛仿真验证工艺偏差下的稳定性。 --- 通过以上分析,可理解带隙既是半导体物理的核心概念,也是模拟电路设计中实现高精度电压基准的关键技术。
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