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什么是帶隙穩(wěn)壓源

利用半導(dǎo)體帶隙的溫度補(bǔ)償特性生成穩(wěn)定的電壓源，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度不敏感。通常為1.25V，接近硅在絕對(duì)零度下的帶隙電壓。

 

應(yīng)用場(chǎng)景：帶隙穩(wěn)壓源一般用在電壓穩(wěn)定性要求比較高的模擬器件的VREF電壓上。比如ADC的ref電壓，LDO/DC-DC內(nèi)部的vref電壓等等，均是由Bandgap電路生成的。

 

正是因?yàn)锽andGap經(jīng)常出現(xiàn)在芯片手冊(cè)里，所以需要硬件工程師對(duì)BandGap有所了解。

 

什么是帶隙（Band Gap）

帶隙（Bandgap）：用Eg表示，是材料中價(jià)帶頂部到導(dǎo)帶底部之間的能量差，與溫度相關(guān)。

 

帶隙穩(wěn)壓源設(shè)計(jì)原理：

在Band Gap中，利用半導(dǎo)體溫度正相關(guān)和溫度負(fù)相關(guān)的物理特性，將二者結(jié)合使得溫度變化相互抵消，從而生成與溫度無(wú)關(guān)的輸出信號(hào)。

 

溫度無(wú)關(guān)性原理詳解：

a)CTAT (Complementary to Absolute Temperature)溫度負(fù)相關(guān)，溫度越高，信號(hào)越小

 

三極管BJT的基極-發(fā)射極電壓（VBE）是CTAT信號(hào)，隨著溫度升高，VBE減小。比較好理解。

 

三極管Vbe典型值為0.75V，T=300K（開爾文）時(shí)，

 

故Vbe為CTAT信號(hào)。

 

b)PTAT（Proportional to Absolute Temperature）溫度正相關(guān)，溫度越高，信號(hào)越大。

 

1.如果兩個(gè)完全一樣的BJT的集電極電流Ic不同（集電極和發(fā)射極短接的情況下），則兩者之間的壓差ΔVbe是一個(gè)與溫度正相關(guān)的電壓。（1964年Hilbiber的研究成果）

 

2.如果兩個(gè)BJT的集電極電流Ic相同（集電極和發(fā)射極短接的情況下），但是發(fā)射極面積不同，Q2是Q1的n倍。那么他們Vbe之間的壓差ΔVbe也是一個(gè)與溫度正相關(guān)的電壓。

 

 

 

由于Vt正比于T，n是常數(shù)，故可以說(shuō)ΔVbe是PTAT信號(hào)

實(shí)際實(shí)現(xiàn)上，Q2發(fā)射極面積=n*Q1發(fā)射極面積，可以看作是Q2=n個(gè)Q1并聯(lián)。具體見某個(gè)IC內(nèi)部設(shè)計(jì)：

 

 

c)利用PTAT+CTAT組成溫度無(wú)關(guān)Vref

對(duì)ΔVbe求偏導(dǎo)數(shù)

 

故想要得到與溫度無(wú)關(guān)的Vref電壓，只需要令

即：

已知T=300K時(shí)，

則：

即溫度無(wú)關(guān)的Vref

可以得到在T=300K時(shí)，

故在其他溫度下也是1.2V.（T=300K）

很多論文寫Vref=1.25V，在帶隙基準(zhǔn)電路的實(shí)際設(shè)計(jì)中，這個(gè)差異可能是由于Vbe或17.2*VT的實(shí)際值在設(shè)計(jì)中經(jīng)過(guò)微調(diào)，或者有其他額外的電路補(bǔ)償因素。

 

因此1.25V是基于特定調(diào)整后的近似值，而非簡(jiǎn)單的理論計(jì)算結(jié)果。

 

經(jīng)典一階BandGap Ref設(shè)計(jì)電路

如下圖，可以得到

 

 

 

下面來(lái)解釋一下：

由于M1,M2,M3的Vgs相等，三者均處于飽和區(qū)時(shí)，I1=I2=I3是典型的MOS管電流鏡（不懂的同學(xué)可以看一下文章電流鏡基礎(chǔ)）

1.I1=I2，即Q2和Q1的集電極電流相等

2.Q2發(fā)射極面積是Q1的N倍

3.由于運(yùn)放的存在，Vy=Vx

4.根據(jù)PTAT的第二點(diǎn)：如果兩個(gè)BJT的集電極電流Ic相同，但是發(fā)射極面積不同，那么他們Vbe之間的壓差ΔVbe也是一個(gè)與溫度正相關(guān)的電壓。--可以判斷R1上的壓差ΔVbe是一個(gè)PTAT信號(hào)

5.I2和I3是一個(gè)電流鏡電路，即I2=I3，則R2流過(guò)得電流為I3*R2，即ΔVbe/R1*R2

6.故Vref=I3*R2+Vbeq3，即

因?yàn)樯衔闹袦囟葻o(wú)關(guān)性原理解釋中，溫度無(wú)關(guān)的

則適配合適的R2/R1，既可以得到一個(gè)溫度無(wú)關(guān)的BandGap電壓Vref。