什么是带隙稳压源

利用半导体带隙的温度补偿特性生成稳定的电压源，实现对温度不敏感。通常为1.25V，接近硅在绝对零度下的带隙电压。

 

应用场景：带隙稳压源一般用在电压稳定性要求比较高的模拟器件的VREF电压上。比如ADC的ref电压，LDO/DC-DC内部的vref电压等等，均是由Bandgap电路生成的。

 

正是因为BandGap经常出现在芯片手册里，所以需要硬件工程师对BandGap有所了解。

 

什么是带隙（Band Gap）

带隙（Bandgap）：用Eg表示，是材料中价带顶部到导带底部之间的能量差，与温度相关。

 

带隙稳压源设计原理：

在Band Gap中，利用半导体温度正相关和温度负相关的物理特性，将二者结合使得温度变化相互抵消，从而生成与温度无关的输出信号。

 

温度无关性原理详解：

a)CTAT (Complementary to Absolute Temperature)温度负相关，温度越高，信号越小

 

三极管BJT的基极-发射极电压（VBE）是CTAT信号，随着温度升高，VBE减小。比较好理解。

 

三极管Vbe典型值为0.75V，T=300K（开尔文）时，

 

故Vbe为CTAT信号。

 

b)PTAT（Proportional to Absolute Temperature）温度正相关，温度越高，信号越大。

 

1.如果两个完全一样的BJT的集电极电流Ic不同（集电极和发射极短接的情况下），则两者之间的压差ΔVbe是一个与温度正相关的电压。（1964年Hilbiber的研究成果）

 

2.如果两个BJT的集电极电流Ic相同（集电极和发射极短接的情况下），但是发射极面积不同，Q2是Q1的n倍。那么他们Vbe之间的压差ΔVbe也是一个与温度正相关的电压。

 

 

 

由于Vt正比于T，n是常数，故可以说ΔVbe是PTAT信号

实际实现上，Q2发射极面积=n*Q1发射极面积，可以看作是Q2=n个Q1并联。具体见某个IC内部设计：

 

 

c)利用PTAT+CTAT组成温度无关Vref

对ΔVbe求偏导数

 

故想要得到与温度无关的Vref电压，只需要令

即：

已知T=300K时，

则：

即温度无关的Vref

可以得到在T=300K时，

故在其他温度下也是1.2V.（T=300K）

很多论文写Vref=1.25V，在带隙基准电路的实际设计中，这个差异可能是由于Vbe或17.2*VT的实际值在设计中经过微调，或者有其他额外的电路补偿因素。

 

因此1.25V是基于特定调整后的近似值，而非简单的理论计算结果。

 

经典一阶BandGap Ref设计电路

如下图，可以得到

 

 

 

下面来解释一下：

由于M1,M2,M3的Vgs相等，三者均处于饱和区时，I1=I2=I3是典型的MOS管电流镜（不懂的同学可以看一下文章电流镜基础）

1.I1=I2，即Q2和Q1的集电极电流相等

2.Q2发射极面积是Q1的N倍

3.由于运放的存在，Vy=Vx

4.根据PTAT的第二点：如果两个BJT的集电极电流Ic相同，但是发射极面积不同，那么他们Vbe之间的压差ΔVbe也是一个与温度正相关的电压。--可以判断R1上的压差ΔVbe是一个PTAT信号

5.I2和I3是一个电流镜电路，即I2=I3，则R2流过得电流为I3*R2，即ΔVbe/R1*R2

6.故Vref=I3*R2+Vbeq3，即

因为上文中温度无关性原理解释中，温度无关的

则适配合适的R2/R1，既可以得到一个温度无关的BandGap电压Vref。

 

来源：布南

关键词： 半导体