模电Bandgap学习笔记

Bandgap基准电压（Bandgap Reference）是模拟集成电路设计中非常重要的模块之一，广泛应用于ADC、DAC、PLL、LDO、PMU 等多种模拟和混合信号电路中。它的主要功能是提供一个稳定的电压参考信号，不受温度、工艺和电源电压变化的影响。

1. Bandgap 基准电压的原理概述

Bandgap 基准电压电路基于硅基半导体的物理特性，利用两种互补的温度特性来生成一个稳定的参考电压。它的核心思想是将带隙电压（Bandgap Voltage）与温度无关的特性加以利用。硅的禁带宽度大约是 1.2 eV，这意味着在理想情况下，硅带隙电压与温度的变化不敏感。

温度依赖性分析：在半导体中，电压的温度系数分为正温度系数（PTAT, Proportional to Absolute Temperature）和负温度系数（CTAT, Complementary to Absolute Temperature）。通过精确设计Bandgap电路，可以实现两者的相互抵消，最终产生一个温度系数非常小的输出电压。

典型的Bandgap电路生成1.2V左右的参考电压。这一电压值接近硅的禁带宽度（1.22V），并且可以在相对宽的温度范围内保持稳定。

2. Bandgap电路的典型结构

包括以下关键部分：

PN结或二极管： PN结或二极管用于产生具有负温度系数的电压（CTAT）。

差分对放大器：这一部分用于放大电流或者电压差异，生成正温度系数的电压（PTAT）。

电阻网络：电阻网络用于适当比例地叠加 PTAT 和 CTAT 电压，从而得到温度补偿的输出电压。

电流源：提供稳定的电流，确保电路工作在一定的操作点。

PN结的作用：在硅工艺中，二极管的正向压降（(V_{BE})）随着温度的升高而降低，大约为 -2 mV/°C。这就是典型的 CTAT 特性。通过利用多个二极管的不同工作点，可以生成 PTAT 电压差，进而抵消 CTAT 产生的温度漂移。

3. 设计 Bandgap 电路的关键技术点

在设计 Bandgap 基准电压电路时，有几个技术要点需要注意，以确保电路的性能稳定，特别是温度补偿效果好，抗噪声和工艺偏差能力强。

3.1 温度补偿

Bandgap 电路的核心目标是实现温度补偿。通过精确调节 PTAT 和 CTAT 信号的比例，可以将温度漂移减小到最小。设计过程中需要确保：

PTAT 与 CTAT 的电压匹配：PTAT 与 CTAT 两部分的电压必须经过仔细调节和校准，保证它们在整个温度范围内的叠加效果理想。

温度系数校准：调节电阻网络的比例，精确设定 PTAT 和 CTAT 电压的权重，最终得到接近零温度系数的输出电压。

3.2 工艺和电源电压的鲁棒性

由于制造工艺的变化（process variation）和电源电压的波动，Bandgap 基准电路的性能可能会受到影响。因此，设计时需要考虑工艺敏感性，并通过以下方法增强电路的鲁棒性：

电流镜负反馈：利用电流镜（Current Mirror）和负反馈机制，稳定电流源，降低电源电压变化对输出电压的影响。

调节电阻的工艺敏感性：选择具有低工艺敏感性的电阻材料，或者通过引入电阻阵列来减小电阻的工艺偏差。

3.3 版图设计的匹配性要求

在版图设计中，确保 MOS 管和二极管的匹配性非常重要，特别是那些用于生成 PTAT 和 CTAT 信号的部分。常见的匹配性技术包括：

共中点对称布局（Common-Centroid Layout）：通过对称排列晶体管，减小由于工艺变化引起的失配误差。

保护措施：对于关键的敏感信号线，采取 Shielding（屏蔽）措施，以减小噪声耦合的影响。

电阻匹配：多指令电阻阵列布局用于确保电阻的匹配性，减少电阻值的不一致导致的偏移。

4. Bandgap 电路的具体设计实例

4.1 基础 Bandgap 设计

典型的 Bandgap 电路包含两个二极管（或者两个 Q1、Q2 型晶体管），它们工作在不同的电流密度下。通过将它们的 V_BE 电压差加到一起，可以生成 PTAT 电压。然后，该 PTAT 电压与 CTAT 电压叠加，从而获得温度补偿的输出。

4.2 低功耗 Bandgap 设计

对于低功耗应用，设计需要注重减少静态电流。常见的做法是通过使用更高阻值的电阻器来降低电流，同时选择低功耗的运算放大器和差分对。

4.3 高精度 Bandgap 设计

高精度 Bandgap 设计通常需要增加额外的校准电路，例如数字控制的电阻阵列或者电流调节器，以补偿工艺偏差和温度漂移。同时，采用更高精度的匹配技术，如共中点对称布局，进一步减少失配误差。

5. Bandgap 电路在实际应用中的考虑

Bandgap 基准电路广泛应用于模拟和数模混合芯片中，特别是在 LDO、PLL、ADC 和 DAC 等模块中。其稳定的参考电压对系统的整体性能至关重要。以下是一些在实际应用中的考虑：

5.1 电源管理系统中的应用

在电源管理芯片中，Bandgap 电路为 LDO 和 DC-DC 转换器提供稳定的参考电压。这些模块要求 Bandgap 电路在宽电源电压范围内提供稳定的输出。设计时需要注意：

电源抑制比（PSRR）：电路的 PSRR 必须足够高，以避免电源波动影响输出电压。

启动电路：确保 Bandgap 电路能够在低电压下快速启动。

5.2 数据转换器中的应用

在 ADC 和 DAC 电路中，Bandgap 提供的参考电压直接影响到数据转换的精度。因此，Bandgap 电路的噪声性能和精度至关重要。设计时，必须考虑：

低噪声设计：通过增加滤波电容或者设计低噪声的运放来减少参考电压中的噪声。

温度漂移控制：在精密应用中，温度漂移会引入系统误差，必须通过精确的温度补偿技术加以抑制。

6. 总结

Bandgap基准电压电路是模拟和混合信号芯片设计中的关键模块。它通过结合 PTAT 和 CTAT 特性，实现了一个与温度变化无关的稳定参考电压。设计时需要重点关注温度补偿、电源噪声抑制和工艺偏差的控制。同时，在版图设计中，保证器件的匹配性和信号完整性是提升电路性能的关键。