带隙基准电路.ppt
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第8章 带隙基准
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第8章 带隙电压基准
电压基准是模拟电路设计中不可或缺的一个单元模块。它为系统提供直流参考电压， 对电路性能，例如运算放大器的电压增益和噪声都有着显著的影响。在本章中，主要讨论 在 CMOS 技术中电压基准的产生，着重于通用的“带隙”技术。首先，将研究带隙电压基准 的基本原理，并介绍常用的带隙电压基准电路结构，以及衡量带隙电压基准性能的方法， 接着将针对其中的一种结构介绍带隙电压基准的设计流程，随后将分析带隙电压基准输出 噪声和仿真方法，最后将介绍一种低温漂带隙电压基准的结构和设计流程。
266
8.2.2
正温度系数电压
IS 为双极晶体管饱和电流)偏置的集电极电流分别为 如果两个同样的晶体管(IS1=IS2=IS， nI0 和 I0，并忽略它们的基极电流，那么它们基极-发射极电压差值 ΔVBE 为：
ΔVBE = VBE1 − VBE2 = VT ln nI 0 I − VT ln 0 I S1 I S2
α⋅
∂V+ ∂V +β⋅ − =0 ∂T ∂T
(8-3)
这样就得到具有零温度系数的基准电压，其原理如图 8- 1 所示。式（8-4）为基准电压的基 本表达式。
VREF = α ⋅ V+ + β ⋅ V−
(8-4)
图 8- 1 带隙电压基准的一般原理
由于双极型晶体管 （BJT） 有以下两个特性： 1)双极型晶体管的基极-发射极电压 （VBE） 电压与绝对温度成反比；2)在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射级电压 的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比。因此，双极晶体管可构成带隙电压基准的核心。 8.2.1 负温度系数电压 对于一个双极型晶体管，其集电极电流（IC）与基极-发射极电压（VBE）的关系为：
无运放带隙基准电路设计
无运放带隙基准电路设计
运放带隙基准电路（opamp bandgap reference circuit）是一种基于运放的电路，用于提供稳定的参考电压。
它的设计基于运放的放大特性和电压反馈机制，通过差分放大和反馈调整，产生一个相对稳定的参考电压。
下面是一种常见的运放带隙基准电路的设计：
1. 选择一个适当的运放芯片，具有低噪声、高增益和低温漂移等特性。
2. 将运放芯片的非反相输入端与反相输入端相连，形成一个差分输入。
3. 将一个稳定的参考电压Vref1与非反相输入端相连。
4. 将运放芯片的反相输入端与一个电阻R1相连，然后将R1与一个稳流二极管D1的阴极相连。
5. 通过调整R1的值，使得二极管D1的电流可以产生一个正向电压降，并且与稳定的参考电压Vref1相等。
6. 将运放芯片的输出端与R1与D1的连接处相连，形成一个反馈回路。
7. 调整运放芯片的反馈电阻R2的值，使得输出电压与稳定的参考电压Vref2相等。
通过以上设计，运放正向反馈的放大特性和电压反馈机制可以保证输出电压与参考电压的稳定性。
同时，稳定的参考电压Vref1的产生通过差分放大和反馈调整的方式可以减少温度、电源等参数的影响。
需要注意的是，具体的设计参数需要根据具体的应用要求来确定，比如参考电压的稳定性要求、输出电压的范围等。
同时，在实际设计过程中，还需要考虑电源稳定性、电路布局和滤波等因素，以确保设计的稳定性和可靠性。
带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析PPT课件
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BandGap电路原理图
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与电源无关的偏置电路
BandGap偏置电路主要通过改变电阻R1的 值使得电流稳定在18uA左右，NM12采用二极 管的连接方式得到一个对电源Vdd不敏感的偏 置电流Iref，通过NM13的尺寸比例将Iref自举到 Iout，使得Iref和Iout满足一定的比例关系并与 Vdd的变化无关。
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感谢您的观看！
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T q
VBE
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零温度系数的基准电压
• 利用双极晶体管的正，负温度系数电压，可设计出一个零温度系数的基准。
• 令 =1，
=-1.5
VREF V对BE上式两(边VT分l别n n对)温度T求导，得到零温度系数的基准：
VBE T
mV 。K VT T 0.087
ln n 17.2 VREF VBE 17.2VT 1.25V
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不同电压的温度扫描
图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，ff的工艺模型下 的DC仿真。可以看出，输 出电压为1.255V到1.275V 之间，温漂系数为
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不同电压的温度扫描
图示为电源电压为 3.3Vrestypical， captypical，diotypical， biotypical，（tt，ss，ff， sf，fs）的工艺模型下的 DC仿真。可以看出，输 出电压为1.235V到 1.265V之间。温漂系数均 小于20ppm，（ss情况下 为26ppm）
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图示为电源电压为3.0V， 3.3V，3.6V， restypical， captypical，diotypical， biotypical，ss的工艺模型 下的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.225V到 1.25V之间，温漂系数为
带隙基准电压源PPT课件
∑
VREF a1VBE a2VT
VREF T
a1
VBE T
a2
VT T
0
利用上面的正、负温度系数电压，我们可以设计出一个令人满 意的零温度系数带隙基准电压源：
因此令 a1 1
VREF VBE a2 (VT ln n)
原理
室温附近：
VBE / T 1.5mV / K VBE k ln n 0.087 ln n(mV / K )
而目前产业界用得最多的电压基准源就是带隙基准电压源，几乎在 绝大多数的芯片都能看到带隙基准电压源的身影！在模拟集成电路设计 的三大教材中也专门对此进行了讲解说明：
原理
半导体工艺中具有正温度系数和负温度系数的两种电压： • 负温度系数的PN结电压VBE • 正温系数的热电压VT
为了产生零温度系数电压基准信号可将负温度系数的PN结电压 VBE和正温度系数的热电压VT进行组合即可实现，这样就会得到零 温度系数（ZTC：Zero Temperature Coefficient）带隙电压基准源。
17.2 -17.1455
100 % 0.32%
误差很小，说明实验效果很好。 17.2
谢谢观看
廖方云 4031431807
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/26
那么我们首先来回顾一下上面提到的两种随温度变化的电压：
• PN结结电压 • 热电压
原理
将与绝对温度呈正比例变化的电压VT 和与绝对温度呈反比例变化 的电压VBE进行线性组合从而产生带隙电压基准源。
与绝对温度呈反比电压
VBE VCTAT
a1
与绝对温度呈正比电压
VT VPTAT
《带隙基准电压源》课件
带隙基准电压源 的发展趋势与展 望
技术创新方向探讨
提高精度和稳定 性：通过改进电 路设计和材料选 择，提高基准电 压源的精度和稳 定性。
降低功耗：通过 优化电路设计和 采用低功耗器件， 降低基准电压源 的功耗。
集成化：将基准 电压源与其他电 路模块集成，提 高系统的集成度 和可靠性。
智能化：通过引 入智能控制算法， 提高基准电压源 的自适应能力和 抗干扰能力。
测试设备：包括电压源、电 流源、示波器、万用表等
测试步骤：按照测试标准进行， 包括设置参数、测量数据、分 析结果等
评估标准及流程详解
评估标准： 精度、稳 定性、温 度特性、 电源抑制 比等
评估流程： 测试准备、 测试实施、 数据分析、 结果评估 等
测试准备： 选择合适 的测试设 备、设置 测试条件 等
感谢您的观看
汇报人：PPT
案例一：用于ADC/DAC转换器的基准电压源设计
应用背景：ADC/DAC转换器需要稳定的基准电压源 设计要求：高精度、低噪声、低功耗 带隙基准电压源的优势：温度稳定性好、精度高、功耗低 设计方法：选择合适的带隙基准电压源芯片，进行电路设计和调试 应用效果：提高了ADC/DAC转换器的性能和稳定性
案例二：用于PLL锁相环的基准电压源设计
设计过程中需要注意电压源的稳定性和精度 优化建议：采用高精度的电阻和电容，提高电压源的稳定性 注意电源噪声对电压源的影响，采用滤波器进行抑制 优化建议：采用低噪声的电源，提高电压源的精度 注意温度对电压源的影响，采用温度补偿技术进行校正 优化建议：采用高精度的温度传感器，提高温度补偿的精度
带隙基准电压源 的应用案例分析
功耗：带隙基准电压源的功耗较低， 适合在低功耗系统中使用
Bandgap带隙CircuitPPT课件
• 分析目的：直流温度扫描分析是为了分析参考电压源的温度特性，即在扫描温度范 围内输出的参考电压值随温度的变化情况。
• 测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40℃，120℃）。
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bandgap电路仿真
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bandgap电路仿真
工艺角扫描 • 分析目的：分析在工艺参数变化的情况下 ，输出参考电压的变化情况。
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课后练习要求：
• Bandgap3_3v调试，电路如下：
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课后练习要求
• 指标要求：
• VREF直流范围：1.1V~1.3V;
• IREF直流范围：50uA~100uA
• VREF温度系数：<14VpRpEFm,1-m4V0DEG~120DEG;
•
V
R
E
F
电
源
电
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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bandgap电路设计进阶
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补充 • 闭环电路的稳定性判据
AV
s
1
As As
s
Outline
bandgap参考电压源电路设计与仿真
1. 电压基准和电流基准的作用； 2. 电压基准结构选择； 3. 与温度无关的电压基准——bandgap； 4. 实际bandgap电路设计； 5. 实际bandgap电路仿真； 6. 电流基准的设计：PTAT电流/与温度无关电流； 7. 补充内容：闭环电路的稳定性判据； 8. 课后练习要求。
• 测试激励：固定供电电压源1.8V，扫描温度参数。扫描范围（-40℃，120℃）。
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bandgap电路仿真
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bandgap电路仿真
工艺角扫描 • 分析目的：分析在工艺参数变化的情况下 ，输出参考电压的变化情况。
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课后练习要求：
• Bandgap3_3v调试，电路如下：
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课后练习要求
• 指标要求：
• VREF直流范围：1.1V~1.3V;
• IREF直流范围：50uA~100uA
• VREF温度系数：<14VpRpEFm,1-m4V0DEG~120DEG;
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bandgap电路设计进阶
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补充 • 闭环电路的稳定性判据
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bandgap参考电压源电路设计与仿真
1. 电压基准和电流基准的作用； 2. 电压基准结构选择； 3. 与温度无关的电压基准——bandgap； 4. 实际bandgap电路设计； 5. 实际bandgap电路仿真； 6. 电流基准的设计：PTAT电流/与温度无关电流； 7. 补充内容：闭环电路的稳定性判据； 8. 课后练习要求。
带隙基准启动电路工作原理
带隙基准启动电路工作原理“哎呀，这玩意儿到底是咋工作的呢？”我看着书上的带隙基准启动电路，脑袋里满是问号。
咱先说说这带隙基准启动电路是啥吧。
它就像一个超级厉害的小助手，在很多电子设备里都发挥着大作用呢！这带隙基准启动电路有好多关键部件。
就比如说那个像小卫士一样的电阻，它能控制电流的大小，可重要啦！还有那个像小精灵一样的晶体管，能开关电流，就像我们家里的电灯开关一样。
这些关键部件都有自己独特的功能，它们一起合作，才能让带隙基准启动电路正常工作。
那这带隙基准启动电路到底是咋工作的呢？嘿，这就像一场奇妙的冒险。
电流就像一群调皮的小猴子，在电路里跑来跑去。
电阻呢，就像一个严格的老师，把这些小猴子管得服服帖帖的，让它们不能乱跑。
晶体管呢，就像一个聪明的指挥官，什么时候让电流通过，什么时候不让电流通过，它都安排得明明白白。
有一天，我和小伙伴们一起玩游戏。
我的小手表突然不显示时间了。
“这可咋办呀？”我着急地说。
小伙伴们也都围了过来。
“是不是没电了？”一个小伙伴问。
“不对呀，我刚换的电池。
”我说。
这时候，我突然想到了带隙基准启动电路。
我想，说不定小手表里的带隙基准启动电路出问题了。
我赶紧跑回家，拿出我的小工具箱，开始研究小手表。
我打开小手表的后盖，看到了里面那些小小的零件。
“哇，这么小的东西，怎么这么复杂呢？”我自言自语道。
我仔细地观察着每一个零件，想找到问题出在哪里。
这时候，爸爸走了过来。
“你在干什么呢？”爸爸问。
“我的小手表坏了，我想看看是不是带隙基准启动电路出问题了。
”我说。
爸爸笑了笑，说：“你还知道带隙基准启动电路呢？不简单呀！”我得意地说：“那当然，我在书上看到过。
”爸爸拿起小手表，看了看，说：“可能是这里的一个小零件坏了。
”我赶紧问：“是哪个小零件呀？”爸爸指了指一个小小的晶体管，说：“这个晶体管可能坏了。
”我好奇地问：“这个晶体管是干什么用的呀？”爸爸说：“这个晶体管就像一个开关，控制着电流的通过。
《带隙基准电压源》课件
设计带隙基准电压源的反馈环路，以实现输出电压的稳定和调节。
4. 优化电路参数
根据仿真结果和实际测试数据，对电路参数进行优化，以提高带隙基 准电压源的性能。
电路设计的优化方法
温度补偿
通过引入温度补偿元件或采用 温度补偿技术，减小温度对带 隙基准电压源输出电压的影响
。
噪声抑制
采用低噪声元件、优化布线方 式和滤波技术等手段，减小带 隙基准电压源输出电压中的噪 声成分。
温漂
02
带隙基准电压源的温漂是指其在一定温度范围内的输出电压变
化量，温漂越小，性能越好。
热稳定性
03
带隙基准电压源在高温下的稳定性，良好的热稳定性可以保证
其在高温环境下正常工作。
04
带隙基准电压源的实现方式
模拟实现方式
01
02
03
运算放大器
使用运算放大器来调整和 稳定带隙基准电压，以实 现高精度和低噪声的输出 。
电阻和电容
通过精密电阻和电容来构 建带隙基准电压源，以实 现温度补偿和稳定性。
差分放大器
使用差分放大器来提高带 隙基准电压的精度和线性 度，以减小温度和电源电 压变化的影响。
数字实现方式
查找表
使用查找表来存储不同温度下的带隙基准 电压值，通过查表方式实现温度补偿。
数字滤波器
使用数字滤波器来处理带隙基准电压的输 出，以提高其稳定性和精度。
数字控制环路
使用数字控制环路来调整带隙基准电压的 输出，以实现高精度和低噪声的性能。
混合实现方式
模拟与数字相结合
将模拟和数字技术相结合，以实现高性能的带隙基准电压源。例如，可以使用 模拟电路来实现温度补偿和稳定性，同时使用数字电路来实现高精度和低噪声 的性能。
4. 优化电路参数
根据仿真结果和实际测试数据，对电路参数进行优化，以提高带隙基 准电压源的性能。
电路设计的优化方法
温度补偿
通过引入温度补偿元件或采用 温度补偿技术，减小温度对带 隙基准电压源输出电压的影响
。
噪声抑制
采用低噪声元件、优化布线方 式和滤波技术等手段，减小带 隙基准电压源输出电压中的噪 声成分。
温漂
02
带隙基准电压源的温漂是指其在一定温度范围内的输出电压变
化量，温漂越小，性能越好。
热稳定性
03
带隙基准电压源在高温下的稳定性，良好的热稳定性可以保证
其在高温环境下正常工作。
04
带隙基准电压源的实现方式
模拟实现方式
01
02
03
运算放大器
使用运算放大器来调整和 稳定带隙基准电压，以实 现高精度和低噪声的输出 。
电阻和电容
通过精密电阻和电容来构 建带隙基准电压源，以实 现温度补偿和稳定性。
差分放大器
使用差分放大器来提高带 隙基准电压的精度和线性 度，以减小温度和电源电 压变化的影响。
数字实现方式
查找表
使用查找表来存储不同温度下的带隙基准 电压值，通过查表方式实现温度补偿。
数字滤波器
使用数字滤波器来处理带隙基准电压的输 出，以提高其稳定性和精度。
数字控制环路
使用数字控制环路来调整带隙基准电压的 输出，以实现高精度和低噪声的性能。
混合实现方式
模拟与数字相结合
将模拟和数字技术相结合，以实现高性能的带隙基准电压源。例如，可以使用 模拟电路来实现温度补偿和稳定性，同时使用数字电路来实现高精度和低噪声 的性能。
带隙基准电压源课件
成本控制
通过改进工艺、提高设备利用率、降 低原材料消耗等方式降低成本。开发 新型材料和工艺，提高产品性能和降 低成本。
优化工艺参数和设备性能，提高工艺 稳定性和良品率。加强过程监控和数 据分析，及时发现并解决问题。
带隙基准电压源测试与评估
测试方法介绍
测试原理
基于带隙基准电压源的工作原理， 采用合适的测试方法对其性能进 行评估。
发展历程及现状
发展历程
自20世纪70年代起，随着半导体工艺和集成电路技术的发展，带隙基准电压源 逐渐得到了广泛应用。近年来，随着物联网、汽车电子等新兴领域的快速发展， 对带隙基准电压源的需求不断增加，推动了其技术的不断创新和进步。
现状
目前，带隙基准电压源已经形成了较为完善的理论体系和技术体系，各种高性能、 低功耗、小尺寸的带隙基准电压源产品不断涌现，满足了不同领域的应用需求。
带隙基准电压源在工作过程中可能会受到电源噪声、温度变化等因素的
影响，导致输出电压的不稳定，甚至产生较大的误差。因此，如何降低
噪声干扰、提高稳定性是亟待解决的问题。
02
精度与功耗的矛盾
高精度带隙基准电压源通常需要消耗较大的功耗，而低功耗设计又可能
导致精度的下降。因此，如何在保证精度的前提下降低功耗是一个重要
运算放大器选择
选用低噪声、高增益、低 失调电压的运算放大器， 以提高电路的性能指标。
电源电压选择
根据电路的工作电压范围， 选择合适的电源电压，以 保证电路的正常工作。
版图设计与实现
元器件布局
合理的元器件布局可以减 小电路中的寄生效应和噪 声干扰，提高电路的性能 指标。
电源线、地线设计
电源线、地线的设计要考 虑电流的大小和方向，以 避免电源噪声对电路的影响。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
五. 输出输入信号线时序图
VIN 、ENB、 BIAS_EN 、BIAS2_EN 为输入信号，VREF 、 BIAS 、BIAS2 为 输出信号。
图 1.3
BANDGAP 模块输入输出时序关系图
六. 等效架构图原理分析
BANDGAP 模块是一个带隙基准结构。 带隙基准的工作原理是根据硅材料的 带隙电压与电压和温度无关的特性，利用△VBE 的正温度系数与双极型晶体管 VBE 的负温度系数相互抵消，实现低温漂、高精度的基准电压。双极型晶体管提 供发射极偏压 VBE；由两个晶体管之间的△VBE 产生 VT ，通过电阻网络将 VT 放 大 a 倍；最后将两个电压相加，即 VREF=VBE+aVT ，适当选择放大倍数 a ，使两 个电压的温度漂移相互抵消， 从而可以得到在某一温度下为零温度系数的电压基 准。下面详细推导这个原理。 一般二极管上电流和电压的关系为：
Q12 和 Q19 的电流相等；R19、R20、R21 和二极管连接的 Q11 组成分压网络， 将 Q12、Q19 产生的 ? VBE 放大（R19＋R20＋R21）/R21 倍后与 VBE11 相加，产 生基准电压 VREF ；放大管 QX7 、Q18 和负载管 Q10 组成符合放大电路，将 IC19 和 IC12 的差值放大，反馈到分压网路中的 R21，从而调整 Q12、Q19 的工作点， 保证 IC19 等于 IC12 ；电容 C2 和 R23 用来进行频率补偿。 电流偏置 IBias2 产生电路（图 2(c)） ：由 P39、Q3、R8 组成。Q3 的基极连 接 VREF ，其射极电位即 R8 的一端电位 VEQ3＝VREF －VBEQ3，与电源电压无关， 从而流过电阻 R8 的电流与电源无关，即 IBias2 与电源无关。 1．使能原理： ENB 高电平时，使能关断有效。当 ENB 为高电平时，使能管 N15、N18、 N17 工作，则 N19 的漏极电压、P8 的漏极电压、VREF 被拉到低电平，电路关 断。 BIAS_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS2_EN 低电平时，使能管 P13 工作，P7、P1 的栅极即 Bias 为高电平，电流偏置为 0，同时，基准电压 VREF 为零电平。 BIAS2_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS_EN 低电平时，使能管 P34 工作，Bias2 为高电平，电流偏置 IBias2 为 0。 2．启动原理 P14、R15、N19、N16 组成启动电路。启动过程：ENB 为低电平，当未启 动时，P7、P8 两支路的电流为 0，此时 P8 的漏极电压为 0 电位，N19 不通，N19 的漏极为高电位，此时 N16 管导通，形成从电源到地的通路 R12、P7、N16，使 P7 有电流流过，从而打破 0 电流的状态；之后 P8 漏极电位上升， N19 导通， N16 截止，启动过程结束。
带隙基准
2
电流和电源无关，和电阻有关。 当沟道长度效应很小时，电流和电源的依赖性很小。 电路有另一个稳定点： Iout = 0 必须加启动电路。 电路在上电时，启动电路驱动偏置电路摆脱“简并”偏置 点 如图：M3-M5-M2-Rs提供了一条电源 到地的通路，使M2和M3工作。 M2和M3导通后， Vgs5 < Vth M5被关断，不影响偏置电路的正常工作
∴Vout > Veff 2 +Veff1 = Veff + nVeff = (n +1)Veff
例如，取
n =1, ⇒Vout > 2Veff
显然，摆幅可以增加。
改进的电流源
注意M5的栅极偏置电压：
VG1 = VG4 = VG5 = (n +1)Veff +Vth
同时： VDS4 >Veff 4 = nVeff
QVDS4 = VG3 −Veff = (Vth +Veff ) −Veff = Vth Vth > Veff 4 = nVeff
是可以保证的
上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘 若： Ibias ≥ Iin, 则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区 若： Ibias = Iin, I ↑⇒Veff1 ↑⇒γ ≠ 0,Vth4 ↑⇒VDS3 < Veff ⇒ Rout ↓ 使
∂Vbe ∂VT = α1 +α2 lnn ∂T ∂T ∂T ∂V ∂VT k Q be = −1.5mV /o K = = 0.087 /o K mV ∂T ∂T q α1 =1 α2 = α ∂Vref ⇒α lnn =17.2时， =0 ∂T ∂Vref
Vref = α1Vbe +α2VT lnn = Vbe +17.2VT ≈1.25 V
电流和电源无关，和电阻有关。 当沟道长度效应很小时，电流和电源的依赖性很小。 电路有另一个稳定点： Iout = 0 必须加启动电路。 电路在上电时，启动电路驱动偏置电路摆脱“简并”偏置 点 如图：M3-M5-M2-Rs提供了一条电源 到地的通路，使M2和M3工作。 M2和M3导通后， Vgs5 < Vth M5被关断，不影响偏置电路的正常工作
∴Vout > Veff 2 +Veff1 = Veff + nVeff = (n +1)Veff
例如，取
n =1, ⇒Vout > 2Veff
显然，摆幅可以增加。
改进的电流源
注意M5的栅极偏置电压：
VG1 = VG4 = VG5 = (n +1)Veff +Vth
同时： VDS4 >Veff 4 = nVeff
QVDS4 = VG3 −Veff = (Vth +Veff ) −Veff = Vth Vth > Veff 4 = nVeff
是可以保证的
上述偏置使M2和M3处在饱和与线性区的边缘 若： Ibias ≥ Iin, 则，M5栅极电压足够使M3和M2处在饱和与区 若： Ibias = Iin, I ↑⇒Veff1 ↑⇒γ ≠ 0,Vth4 ↑⇒VDS3 < Veff ⇒ Rout ↓ 使
∂Vbe ∂VT = α1 +α2 lnn ∂T ∂T ∂T ∂V ∂VT k Q be = −1.5mV /o K = = 0.087 /o K mV ∂T ∂T q α1 =1 α2 = α ∂Vref ⇒α lnn =17.2时， =0 ∂T ∂Vref
Vref = α1Vbe +α2VT lnn = Vbe +17.2VT ≈1.25 V
低温漂低功耗带隙基准类电路
低温漂低功耗带隙基准类电路低温漂低功耗带隙基准电路，这名字听着就有点高深莫测，不是吗？不过别急，我们今天就轻松聊聊这个话题，把它拆得简单点，大家一起去看看这个看似复杂的东西到底怎么回事，能给我们的电子设备带来什么好处。
首先呢，带隙基准电路是啥？说白了，它就是一种能提供稳定电压的电路，哪怕环境温度变化或者电源电压波动，也能保持自己的稳定性。
这一点，就像是你在大夏天还坚持喝冰啤酒一样，哪怕外面热得像火炉，它始终冷得刚刚好，不受外界环境影响。
所以，带隙基准电路通常用在那些要求电压稳定的地方，比如精密测量仪器、传感器和微控制器等等。
不过，这个电路也并不是完美的。
就像人一样，虽然后天养成了钢铁般的耐性，但在不同的环境下，也有可能出现"低温漂"的情况。
什么叫低温漂呢？就是温度变化导致电路输出电压发生偏差。
哎呀，这可不是什么小问题！想象一下，如果一个电路在寒冷的环境下输出电压不稳定，那你的仪器就会出现误差，影响测量结果，甚至可能导致系统崩溃。
那可不得了！所以，在设计带隙基准电路的时候，低温漂问题可得好好考虑。
要是没有解决好这个问题，电路就像是根本站不住的沙堡，随时都会被风吹垮。
而说到低功耗，这就更重要了。
别看我们说的是电路设计，功耗控制可是个大难题。
在现代社会，尤其是移动设备满天飞的今天，大家都希望能有更长的电池寿命。
你想想看，如果你拿着一部手机，满电开始玩，结果不到几个小时就得找插座充电，那还真不如拿个砖头塞进包里省事儿。
所以低功耗成了设计中非常关键的一点。
带隙基准电路，如果能做到低功耗，那就不仅能保持电压稳定，还能不消耗太多电池电量，真是两全其美，谁不想要呢？那要怎么做到低温漂低功耗呢？说到底，设计者得在细节上下功夫。
带隙基准电路的核心是利用了“带隙电压”的特性。
这个电压和温度变化有关系，但如果设计得当，可以将温度的影响压到最小。
就像有个老大哥在你身边，不管外面风雨多大，他都能稳定住局面。
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
NO.1 Bandgap 模块 一. 原理图
图 1.1
Bandgap 模块线路图
二. 等效架构图
(a)
(b)
(c) 图 1.2 Bandgap 模块等效原理图
三. 电路功能描述
正常工作时，Bandgap 模块为系统提供稳定、高精度的 1.28v 的基准电压， 并为其它电路模块提供稳定的偏置电流。
四. 输出、输入信号线功能描述
I = I S (e qVB E / kT − 1)
（1.1） 当 VBE >> kT / q 时， I ≈ I S e q.VBE / k .T
VBE = VT . ln( I ) IS
（1.2） 其中 VT = kT 为热电压，k 是 Boltzmann 常数，q 是电荷量。 q
图 1.2(b) 是参考电压产生的实际等效架构电路， R19 、R20 、R21 、Q11 和 Q12、Q19 构成带隙电压产生器的主题部分，由 Qx10 、Qx8 、 Q19、 Qx7 、 Q10 以及 Q18 组成了放大器及补偿电路，保证了参考电压输出的稳定。 由运算放大器的性质，得：
Q12 和 Q19 的电流相等；R19、R20、R21 和二极管连接的 Q11 组成分压网络， 将 Q12、Q19 产生的 ? VBE 放大（R19＋R20＋R21）/R21 倍后与 VBE11 相加，产 生基准电压 VREF ；放大管 QX7 、Q18 和负载管 Q10 组成符合放大电路，将 IC19 和 IC12 的差值放大，反馈到分压网路中的 R21，从而调整 Q12、Q19 的工作点， 保证 IC19 等于 IC12 ；电容 C2 和 R23 用来进行频率补偿。 电流偏置 IBias2 产生电路（图 2(c)） ：由 P39、Q3、R8 组成。Q3 的基极连 接 VREF ，其射极电位即 R8 的一端电位 VEQ3＝VREF －VBEQ3，与电源电压无关， 从而流过电阻 R8 的电流与电源无关，即 IBias2 与电源无关。 1．使能原理： ENB 高电平时，使能关断有效。当 ENB 为高电平时，使能管 N15、N18、 N17 工作，则 N19 的漏极电压、P8 的漏极电压、VREF 被拉到低电平，电路关 断。 BIAS_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS2_EN 低电平时，使能管 P13 工作，P7、P1 的栅极即 Bias 为高电平，电流偏置为 0，同时，基准电压 VREF 为零电平。 BIAS2_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS_EN 低电平时，使能管 P34 工作，Bias2 为高电平，电流偏置 IBias2 为 0。 2．启动原理 P14、R15、N19、N16 组成启动电路。启动过程：ENB 为低电平，当未启 动时，P7、P8 两支路的电流为 0，此时 P8 的漏极电压为 0 电位，N19 不通，N19 的漏极为高电位，此时 N16 管导通，形成从电源到地的通路 R12、P7、N16，使 P7 有电流流过，从而打破 0 电流的状态；之后 P8 漏极电位上升， N19 导通， N16 截止，启动过程结束。
图 1.1
Bandgap 模块线路图
二. 等效架构图
(a)
(b)
(c) 图 1.2 Bandgap 模块等效原理图
三. 电路功能描述
正常工作时，Bandgap 模块为系统提供稳定、高精度的 1.28v 的基准电压， 并为其它电路模块提供稳定的偏置电流。
四. 输出、输入信号线功能描述
I = I S (e qVB E / kT − 1)
（1.1） 当 VBE >> kT / q 时， I ≈ I S e q.VBE / k .T
VBE = VT . ln( I ) IS
（1.2） 其中 VT = kT 为热电压，k 是 Boltzmann 常数，q 是电荷量。 q
图 1.2(b) 是参考电压产生的实际等效架构电路， R19 、R20 、R21 、Q11 和 Q12、Q19 构成带隙电压产生器的主题部分，由 Qx10 、Qx8 、 Q19、 Qx7 、 Q10 以及 Q18 组成了放大器及补偿电路，保证了参考电压输出的稳定。 由运算放大器的性质，得：
Q12 和 Q19 的电流相等；R19、R20、R21 和二极管连接的 Q11 组成分压网络， 将 Q12、Q19 产生的 ? VBE 放大（R19＋R20＋R21）/R21 倍后与 VBE11 相加，产 生基准电压 VREF ；放大管 QX7 、Q18 和负载管 Q10 组成符合放大电路，将 IC19 和 IC12 的差值放大，反馈到分压网路中的 R21，从而调整 Q12、Q19 的工作点， 保证 IC19 等于 IC12 ；电容 C2 和 R23 用来进行频率补偿。 电流偏置 IBias2 产生电路（图 2(c)） ：由 P39、Q3、R8 组成。Q3 的基极连 接 VREF ，其射极电位即 R8 的一端电位 VEQ3＝VREF －VBEQ3，与电源电压无关， 从而流过电阻 R8 的电流与电源无关，即 IBias2 与电源无关。 1．使能原理： ENB 高电平时，使能关断有效。当 ENB 为高电平时，使能管 N15、N18、 N17 工作，则 N19 的漏极电压、P8 的漏极电压、VREF 被拉到低电平，电路关 断。 BIAS_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS2_EN 低电平时，使能管 P13 工作，P7、P1 的栅极即 Bias 为高电平，电流偏置为 0，同时，基准电压 VREF 为零电平。 BIAS2_EN 低电平时，使能关断有效。当 BIAS_EN 低电平时，使能管 P34 工作，Bias2 为高电平，电流偏置 IBias2 为 0。 2．启动原理 P14、R15、N19、N16 组成启动电路。启动过程：ENB 为低电平，当未启 动时，P7、P8 两支路的电流为 0，此时 P8 的漏极电压为 0 电位，N19 不通，N19 的漏极为高电位，此时 N16 管导通，形成从电源到地的通路 R12、P7、N16，使 P7 有电流流过，从而打破 0 电流的状态；之后 P8 漏极电位上升， N19 导通， N16 截止，启动过程结束。
(拉扎维)第十一章带隙基准(模拟cmos集成电路设计)
Bandgap Ref Ch. 11 # 10
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
正温度系数电压
VBE VBE1 VBE 2 VT ln
nI0 I VT ln 0 VT ln n I S1 IS2
VBE k ln n T q
Bandgap Ref Ch. 11 # 11
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 28
华大微电子：模拟集成电路原理
实例分析
Bandgap R11 # 4
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 5
华大微电子：模拟集成电路原理
与电源无关的偏置
如何产生IREF？
Bandgap Ref Ch. 11 # 9
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
负温度系数电压
Eg VBE 4 mVT E g q VBE VT I C V ln 4 m T 2 VT T T IS T kT T
当VBE＝750mV，T＝300K，为－1.5mV/K
华大微电子：模拟集成电路原理
与温度无关的偏置
Bandgap Ref Ch. 11 # 18
华大微电子：模拟集成电路原理
本讲内容 • • • • • • 概述 与电源无关的偏置 与温度无关的基准 PTAT电流的产生 恒定Gm偏置 实例分析
Bandgap Ref Ch. 11 # 19
华大微电子：模拟集成电路原理
华大微电子：模拟集成电路原理
带隙基准电压源课件ppt
原理
半导体工艺中具有正温度系数和负温度系数的两种电压： • 负温度系数的PN结电压VBE • 正温系数的热电压VT
为了产生零温度系数电压基准信号可将负温度系数的PN结电压 VBE和正温度系数的热电压VT进行组合即可实现，这样就会得到零 温度系数（ZTC：Zero Temperature Coefficient）带隙电压基准源。
已知既定温漂系数 PPM为17.2，且n=7， 因为R1为26k，由公式
PPM R2 lnn R1
可推出R2，取整后暂 时R2设置为260k.
实验电路仿真
电阻R2初始值为260k时，输出电压随温度变化而变化的曲线。
实验电路仿真
为探究输出曲线的 最佳温度特性，设电阻 R2为变量R，并给其一 个变化范围，并缩小范 围找出同等温度范围内， 相对最好的温度特性的 输出曲线。右图为R设 置为200K到300K之间 的输出曲线。由图可知 R2为260k时，曲线较 为平缓，温度特性较好.
带隙基准电压源
意义
电压基准源通常要求具有较高的精度和稳定度：
• 不随电源电压变化 • 不随温度变化 • 不随半导体工艺变化
由于电压基准源的上述特性，其在集成电路的设计中扮演极其重要 的作用。尤其各种DAC，ADC，传感器芯片，检测芯片，电源管理类等 芯片中广泛使用！
而目前产业界用得最多的电压基准源就是带隙基准电压源，几乎在 绝大多数的芯片都能看到带隙基准电压源的身影！在模拟集成电路设计 的三大教材中也专门对此进行了讲解说明：
（3）
将（3）与 V R E FV B Ea2(V Tlnn)联立可得：
PPM= R2 lnn 17.2 R1
由此可设计电路，假设取n=7，令R1=26k，计算 得R2=260k
带隙基准电路基本原理
带隙基准电路的基本原理是基于半导体材料的能带结构。
在半导体中，存在一个禁带（能隙），用于区分导带和价带。
导带中的电子能够在半导体中自由移动，而价带中的电子处于固定位置。
当在半导体中施加电压时，电子能够从价带跃迁到导带中，从而形成电流。
带隙基准利用半导体材料特有的能带结构来生成稳定的电压参考。
具体原理如下：首先，在半导体材料中形成两个P-N结，其中一个为温度感应器，另一个是反向偏置的二极管。
当在这两个结之间施加偏置电压时，会形成一条叫做带隙电压（Bandgap Voltage）的电压参考。
该电压与半导体材料的能带隙相关，而与工作温度无关。
《带隙基准电路》课件
调整电阻值
运放是带隙基准电路中的关键元件，其性能直接影响电路的性能。需要根据电路要求选择合适的运放，如带宽、噪声、失调等参数。
选择合适的运放
电源电压和功耗是带隙基准电路的重要参数，需要考虑在满足性能要求的同时，尽量减小功耗和电源电压。
考虑电源电压和功耗
1
2
3
利用CMOS工艺制作带隙基准电路，具有高集成度、低功耗等优点，是当前最常用的实现方法。
带隙基准电路
目录
带隙基准电路概述带隙基准电路的基本原理带隙基准电路的设计与实现带隙基准电路的性能测试与评估带隙基准电路的改进与发展趋势
01
CHAPTER
带隙基准电路概述
带隙基准电路是一种集成电路，用于产生一个与温度和电源电压无关的参考电压或电流。
它利用双极晶体管的基极-发射极电压差（ΔVBE）的正温度系数和硅的带隙电压（VBG）的负温度系数来产生一个零温度系数的电压或电流。
性能比较
将带隙基准电路的性能与其他同类电路进行比较，以评估其性能优劣。
数据分析
对测试数据进行统计分析，以评估带隙基准电路的性能指标是否满足设计要求。
改进建议
根据测试结果，提出改进带隙基准电路性能的建议和措施，以提高其性能。
03
02
01
05
CHAPTER
带隙基准电路的改进与发展趋势
温度补偿
01
通过分析电路的频率响应、噪声和温漂等特性，评估带隙基准源的稳定性。
稳定性分析
启动电路
线性调整率
带隙基准源在输入电压变化时，输出电压的变化率。
负载调整率
带隙基准源在不同负载条件下，输出电压的变化率。
03
CHAPTER
带隙基准电路的设计与实现
运放是带隙基准电路中的关键元件，其性能直接影响电路的性能。需要根据电路要求选择合适的运放，如带宽、噪声、失调等参数。
选择合适的运放
电源电压和功耗是带隙基准电路的重要参数，需要考虑在满足性能要求的同时，尽量减小功耗和电源电压。
考虑电源电压和功耗
1
2
3
利用CMOS工艺制作带隙基准电路，具有高集成度、低功耗等优点，是当前最常用的实现方法。
带隙基准电路
目录
带隙基准电路概述带隙基准电路的基本原理带隙基准电路的设计与实现带隙基准电路的性能测试与评估带隙基准电路的改进与发展趋势
01
CHAPTER
带隙基准电路概述
带隙基准电路是一种集成电路，用于产生一个与温度和电源电压无关的参考电压或电流。
它利用双极晶体管的基极-发射极电压差（ΔVBE）的正温度系数和硅的带隙电压（VBG）的负温度系数来产生一个零温度系数的电压或电流。
性能比较
将带隙基准电路的性能与其他同类电路进行比较，以评估其性能优劣。
数据分析
对测试数据进行统计分析，以评估带隙基准电路的性能指标是否满足设计要求。
改进建议
根据测试结果，提出改进带隙基准电路性能的建议和措施，以提高其性能。
03
02
01
05
CHAPTER
带隙基准电路的改进与发展趋势
温度补偿
01
通过分析电路的频率响应、噪声和温漂等特性，评估带隙基准源的稳定性。
稳定性分析
启动电路
线性调整率
带隙基准源在输入电压变化时，输出电压的变化率。
负载调整率
带隙基准源在不同负载条件下，输出电压的变化率。
03
CHAPTER
带隙基准电路的设计与实现
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2. 带隙基准源简介及其应用
模拟集成电路广泛地包含带隙基准电压源，由于带隙基准 电压源的输出电压与电源电压、工艺参数和温度的关系很 小，所以带隙基准电压源一直是集成电路中的一个重要的 基本模块，例如可应用于LDO或者电荷泵等。
当VBE ? 750mV,T ? 300K时，?VBE ?T ? -1.5mV/ K
三级运放 通过运放，使整个核心电路 的偏置电压独立于电源电压， 从而提高电源抑制比。
图2.2 运放电路
3.启动电路
图
2.3
保证运放正常工作，并提供偏置
启
动
电
路
启动电路
三级运放
此电路共计49个MOS 管，5个三极管，8个电阻和1个电容 图2.4 整体电路
核心电路
第三章 仿真结果
1.输出电压
图 3.1 输 出 电 压 仿 真 图
基于0.35 微米CMOS 工艺的 带隙基准源设计
Based on 0.35um BCD Process BandGap reference design
第一章 概述
1.BCD 工艺简介 BCD （Bipolar-CMOS-DMOS ）功率集成电路器件， 通过MOS 管的最高电压可达40V ，最低为5V 。
SS 输出电压 1.25V
TT 1.23V
FF 1.22V
2.电源抑制比（PSRR ）
图 3.2 电 源 抑 制 比 仿 真 图
PSRR
SS 73dB
TT 72dB
FF 93dB
3.温度系数（TC ）
图 3.3 温 度 系 数 仿 真 图
13ppm/ ℃
VBE
?
VT
ln
IC IS
,VT
?
KT q
VBE2 ? VT lnn(R2 ? R3) R3 ? VREF
图1.2 基本的带隙基准源
第二章 BandGap 电路设计
1.核心电路（含启动电路）
VREF ?
2VT lnn? R45
R43 ? VBEQ32
12
3
启动电路
图2.1 核心电路（含启动电路）
2.运放电路
FF 0.74ppm/ ℃
4.功耗
图 3.4 功 耗 仿 真 图
功耗
SS
TT
FF
0.99mW 1.35mW 2.05mW
5.蒙特卡罗分析 输出电压 温度系数
电源抑制比 功耗
蒙特卡罗分析结果
输出电压（V） 电源抑制比（dB ） 温度系数（ppm/ ℃） 功耗（uA ）
SS 1.356-1.041 98.54-51.226 105.78-1.337
218-182
TT 1.342-1.023 106.58-51.55 89.205-0.566
321-274
FF 1.332-1.013 95.71-48.64 78.72-2.183
441-383
参考文献：
1.高电源抑制比的CMOS 带隙基准电压源_吴志明 2.模拟CMOS 集成电路设计_毕查德拉扎维