带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析
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带隙基准电压校准eetop -回复带隙基准电压校准（Bandgap Voltage Reference Calibration）是集成电路设计中的一个重要环节。
带隙基准电压是指在特定工作温度下产生的恒定电压，用于校准其他模拟电路元件的偏置电压，从而提高整个集成电路的工作准确性和稳定性。
本文将一步一步回答有关带隙基准电压校准的问题。
第一步：什么是带隙基准电压？带隙基准电压是指在特定工作温度下产生的恒定电压。
基于物理原理，带隙基准电压可由基于半导体材料的差分电压或其他电路元件产生。
其中，差分电压产生的带隙基准电压是最常用的。
第二步：带隙基准电压校准的目的是什么？带隙基准电压的校准旨在使得产生的恒定电压在特定工作温度下与预期值保持一致。
校准的目的是提高集成电路的工作准确性和稳定性。
这对于模拟电路的准确测量以及数字电路的正常运行非常重要。
第三步：为什么需要对带隙基准电压进行校准？在半导体材料制造过程中，微小的材料和工艺变化可能导致带隙电压的偏移。
而这种偏移会直接影响到其他模拟电路元件的偏置电压，从而引起整个集成电路的准确性和稳定性问题。
因此，对带隙基准电压进行校准是必要的。
第四步：带隙基准电压校准的方法有哪些？常见的带隙基准电压校准方法包括两点校准法和三点校准法。
两点校准法通过在待校准电路中添加大小相等、理论值已知的校准电阻，将输出电压与预期值进行比较并进行调整，从而实现电压校准。
三点校准法基于两个特定温度下的差分电压，计算带隙能。
第五步：校准过程中需要注意哪些问题？在进行带隙基准电压校准时，需要注意以下问题：1. 温度：校准过程需要进行温度控制，以确保带隙基准电压在特定工作温度下产生。
同时，还需要考虑温度对电阻、电容和电感等元件的影响。
2. 稳定性：校准过程需要考虑带隙基准电压的长期稳定性。
在实际应用中，校准电路应具有能够抵消温度波动和材料老化等因素影响的稳定性。
3. 精度：校准电路的精度直接影响到整个集成电路的准确性。
《带隙基准电压源》课件
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。
Bandgap(带隙)_Circuit
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bandgap电路设计
此结构是在一个负反馈运
算放大器的两个输入端各 接一个稳压电路。两路稳
R3
R2
压电路并联。它们并联的
I1
总电压作为我们所要的参
考电压，连接到运放的输 I2 出端输出。电源电压包含
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2
电压基准和电流基准的作用
模拟电路的设计中须广泛的应用到电压基准和电流基准， 它们是直流量，为核心电路提供偏置，建立直流工作点；
一般来说，从芯片外部引入的供电电压都存在着一定的波 动，而模拟电路对偏置电压的稳定性要求较高，因此一般 会使用一个参考电压源，它将电源电压转化为一个具有良 好电压稳定性和温度稳定性的电压，以提供良好的偏置。
I
rR1
rR2 I
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电压基准结构选择
这说明 V在R1、R2上的分
配与R1、R2的动态电阻成 正比。如果我们能让R1的动 态电阻很小，R2的动态电阻
很大，则 V大部分落在R2
上，一小部分落在R1上， 对电源电压的灵敏度会大大
降低，稳压性能就会得到很 大提高。
r= V I
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电压基准结构选择
对一个一般的分压网络进行 分析，R1、R2为阻性元件。
假定电源电压变化了V ,因 为R1和R2串联，V 会以一
定比例分配在这两个电阻上 ，并且两者的电流改变量一 致。
R2 R1
VREF
带隙基准电压源(Bandgap)设计范例
由于 Q12 由 10 个发射极面积为单位面积的 NPN 组成（N＝10） ，则
∆VBE = VT ln(
J 19 ) = VT ln N J 12
（1.18）
经过分压网路发大后和 VBE11 叠加后产生 VREF： R19 + R 20 + R 21 V REF = VT ln N + VBE11 R21 在室温（25o C）下， ∂V BE VBE − (3 + m)VT − E g / q = ≈ −2 mV / ° K ∂T T
（ 1.19 ）
（ 1.20 ）
∂∆VBE k = ln N ≈ +0.2mV / ° K ∂T q
（1.21）
若要在 25o C 实现温度系数为零，则要求 R19 + R20 + R 21 ≈ 10 R21 即
R19 + R20 = 9R 21
3） I BIAS 2 = VREF − VBEQ3 RR 8
I BIAS = I 1 =
∆VBE VT ln 2 = Rnew1 Rnew1
（1.14） 在室温下，VT ＝0.026V
I BIAS = 0.018 A Rnew1
2) 当考虑沟道长度调制效应
I 1 = K 7 [VG 7 − (VDD − I 1R12 ) − VTH 7 ] 2 [1 + λ (VG 7 − (VDD − I 1 R12 )]
（1.15）
I 2 = K8 [VG 8 − (V DD − I 2 R13 ) − VTH 8 ] 2 [1 + λ (VBEQ25 + I 2 R14 − VDD + I 2 R13 )] （1.16）
bandgap带隙基准源电路
bandgap带隙基准源电路
带隙基准源电路是一种用于产生稳定的基准电压的电路。
它基于半导体材料的能带结构，利用了半导体材料的禁带宽度（也称为带隙）的特性。
在带隙基准源电路中，常使用两个不同的半导体材料（如硅和镓）组成的二极管。
这两个材料的带隙不同，导致二极管在正向偏置时的电压降产生差异。
仅在这个差异电压较小的区域内工作，以增强其稳定性。
带隙基准源电路通常还包含一个负反馈电路，用于调节二极管的电流，以保持其工作点稳定。
这样可以确保带隙基准源电路提供的电压输出具有很高的稳定性和精确性。
带隙基准源电路常用于精密测量仪器、模拟电路和微电子器件中，用于提供标准的参考电压。
它们的优点包括高精度、低温漂移和较好的长期稳定性。
带隙基准电压源BandGap的调节与理论分析
ln nI0 IS1
VT
ln I0 IS2
VT
ln n
VBE k ln n T q
VBE的差值就表现出正温度系数。
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。 VREF VBE (VT ln n)
令 =1，VBE T =-1.5mV 。K VT T 0.087对上式 两边分别对温度T求导，得到零温度系数的基准：
带隙电压基准的基本原理：将两个拥有相反温度系 数的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度 系数的基准电压。
负温度系数电压
双极晶体管的基极-发射极或者说是pn结二极管具 有负温度系数。
VBE T
VT T
ln IC IS
(4 m) VT T
Eg kT 2
VT
VBE
VBE
ln n 17.2 VREF VBE 17.2VT 1.25V
BandGap电路原理图
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。
产生一个和绝对温度成正比的PTAT电流。
这里的Cascode结构主要是近似为一个电路源使
得流过Q4，Q5这两条电路的电流相等使得Vo1
VO1
VO2与Vo2稳定在近似相等的电压，所以在调试
cascode电路时要使输出电阻尽可能的大。
BandGap电压的产生
产生的PTAT电流通过由PM23-PM26组 成的电流镜电路复制到到基准电压输出 端，可以得到：
bandgap的理解(内部带隙电压基准)
bandgap的理解(内部带隙电压基准) 下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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带隙电压基准源的设计与分析
带隙电压基准源的设计与分析摘要介绍了基准源的发展和基本工作原理以及目前较常用的带隙基准源电路结构。
设计了一种基于Banba结构的基准源电路，重点对自启动电路及放大电路部分进行了分析，得到并分析了输出电压与温度的关系。
文中对带隙电压基准源的设计与分析，可以为电压基准源相关的设计人员提供参考。
可以为串联型稳压电路、A／D和D／A转化器提供基准电压，也是大多数传感器的稳压供电电源或激励源。
基准源广泛应用于各种模拟集成电路、数模混合信号集成电路和系统集成芯片中，其精度和稳定性直接决定整个系统的精度。
在模／数转换器(ADC)、数／模转换器(DAC)、动态存储器(DRAM)等集成电路设计中，低温度系数、高电源抑制比(PSRR)的基准源设计十分关键。
在集成电路工艺发展早期，基准源主要采用齐纳基准源实现，如图1(a)所示。
它利用了齐纳二极管被反向击穿时两端的电压。
由于半导体表面的沾污等封装原因，齐纳二极管噪声严重且不稳定。
之后人们把齐纳结移动到表面以下，支撑掩埋型齐纳基准源，噪声和稳定性有较大改观，如图1(b)所示。
其缺点：首先齐纳二极管正常工作电压在6～8 V，不能应用于低电压电路；并且高精度的齐纳二极管对工艺要求严格、造价相对较高。
1971年，Widlar首次提出带隙基准结构。
它利用VBE的正温度系数和△VBE的负温度系数特性，两者相加可得零温度系数。
相比齐纳基准源，Widlar型带隙基准源具有更低的输出电压，更小的噪声，更好的稳定性。
接下来的1973年和1974年，Kujik和Brokaw分别提出了改进带隙基准结构。
新的结构中将运算放大器用于电压钳位，提高了基准输出电压的精度。
以上经典结构奠定了带隙基准理论的基础。
文中介绍带隙基准源的基本原理及其基本结构，设计了一种基于Banba结构的带隙基准源，相对于Banba结构，增加了自启动电路模块及放大电路模块，使其可以自动进入正常工作状态并增加其稳定性。
1 带隙基准源工作原理由于带隙电压基准源能够实现高电源抑制比和低温度系数，是目前各种基准电压源电路中性能最佳的基准源电路。
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2014.10.21
目录
1.BandGap工作原理
2. 静态工作点的调试
3.BandGap电路仿真 4.电路仿真结果分析
1.BandGap工作原理
BandGap电路的设计目的：产生一个与电源和工艺
无关，具有确定温度特性的直流电压或者电流。
BandGap电路的主要设计任务：与电源无关的偏置；
3.3V时基准电压曲线
如图所示为3.3V时， BandGap输出电压曲线， 可以看到Vmax=1.251， Vmin=1.249. 计算得出温漂系数为 9.434
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，tt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， 温漂系数为
3.3V不同工艺角的扫描
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）
Cascode电路结构
为保证NM20与NM21处的电压保持跟随，采用 Cascode结构使得Vo1与Vo2稳定在近似相等的电压， 那么有：
VBE1 RI VBE 2 RI VBE1 VBE 2 VT ln n VO2 VBE 2 VT ln n
产生一个和绝对温度成正比的PTAT电流。 这里的Cascode结构主要是近似为一个电路源使得 流过Q4，Q5这两条电路的电流相等使得Vo1与Vo2 VO 2稳定在近似相等的电压，所以在调试cascode电路 时要使输出电阻尽可能的大。
DC仿真
完成启动电路的仿真测试后，设置好DC仿真环境，
温度扫描在-40度到120度，电源电压为3.3V，以及 restypical，captypical，diotypical，biotypical，tt的工艺 模型下。完成DC直流仿真后，用计算器计算出 BandG电路的温漂系数。
Vmax Vmin T *106 Vmean (Tmax Tmin )
VBE
V
ln n 17.2 VREF VBE 17.2VT 1.25V
BandGap电路原理图
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。 PM14，PM15与PM18，PM19启动后续整个电 路。
VBE 的差值就表现出正温度系数。
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。 VREF VBE (VT ln n)
令 =1，
T 。 0.087 =-1.5 对上式两边分别 mV K T T 对温度T求导，得到零温度系数的基准：
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
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，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
BandGap电路仿真结果分析
定，输出的基准电压为1.235V到 1.265V之间，温漂系数低于20ppm（但是ss情况下为 26），当电源电压为3.0V或者3.6V时，在其他的不 同工艺角（tt，ff，ss，sf，fs）下，输出的基准电压 波动范围较大，且温漂系数大于20ppm（3.6V，ss情 况下为13ppm以及3v时，ff情况下为15ppm）。3V各 个工艺角下的基准电压输出范围为1.235V到1.255V 之间，3.6V各个工艺角下的基准电压输出范围为 1.265V到1.275V之间。
与温度关系变化的确定。
带隙电压基准的基本原理：将两个拥有相反温度系
数的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度 系数的基准电压。
负温度系数电压
双极晶体管的基极-发射极或者说是pn结二极管具
有负温度系数。
VBE VT I C VT E g ln (4 m) 2 VT T T IS T kT Eg VBE VBE (4 m)VT q T T V BE 。 V K 当 BE =750mv，T=300 时， =-1.5 T
因为n=8，可以求得出电阻比例。 最后调试各条支路的管子使得电路工作在合适的电流。
3.BandGap电路仿真
首先：对调试好BandGap电路进行启动电路仿真：
在输入端加上一个0.01us,3.3V 的激励信号，对BandGap电路进 行瞬态仿真，得到如图所示的曲 线，表明BandGap电路顺利启动。
mV 。 K
VBE 的温度系数与温度有关。
正温度系数电压
若两个双极晶体管工作在不相等的电流密度下，那
么基极-发射极电压的差值就与绝对温度成正比。 nI0 I0 VBE VBE1 VBE 2 VT ln VT ln VT ln n I S1 IS2
VBE k ln n T q
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，sf的工艺模型下 的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.24V到1.27V 之间，温漂系数为
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，fs的工艺模型下 的DC仿真。可以看出， 输出电压为1.23V到1.26V 之间，温漂系数为
VO1
BandGap电压的产生
产生的PTAT电流通过由PM23-PM26组成的 电流镜电路复制到到基准电压输出端， 可以得到：
VREF (VBE1 VBE 2 )
R3 VBE3 R2
VBE是正温度系数电压，VBE 根据上式： 是 3 负温度系数电压，通过调试R3与R2的比 值，将两个拥有相反温度系数的电压以 合适的权重相加，最终获得具有零温度 系数的基准电压。
2.静态工作点的调试
首先，确保部分管子工作在饱和区，不受电源电压变
化的影响。 然后，寻找合适的双极晶体管比例，这里给出Q1，Q2， Q3，Q4，Q5为2:2:2:16:16。 再次，寻找合适的电阻比例：
VREF VBE (VT lnn) VREF VBE R3 VBE 3 R2 R R 17.2 lnn 17.2 3 ln n 17.2 3 R2 R2 lnn