ARTICLE · INTELLIGENCE

战地情报 · 详情页

来自尧图项目组的一线实战观察与深度解析

bandgap

bandgap

场景分类

bandgap(带隙基准电压源)。按最常见的分类口径,主要有以下几类:

按补偿阶数分

  • 一阶带隙基准:经典结构,输出 ≈ 1.2V,用 VBE 的负温度系数 + ΔVBE(PTAT)的正温度系数抵消,一阶抵消后仍有约 ±20~50ppm/℃ 的曲率误差
  • 二阶 / 高阶补偿带隙基准:在一阶基础上做曲率补偿,把 ppm 压到个位数,常见做法有电阻比例分段、β 补偿、非线性项(VBE 的高阶非线性)补偿

按电路实现形式分

  • 电压模式带隙:直接把叠加后的电压作为输出,结构简单,但受运放失调和电源影响大
  • 电流模式带隙:先产生 PTAT 和 CTAT 电流,再经电阻合成电压,输出电压可以按电阻比灵活设定(<1.2V 也能做),这是目前主流的低压版本
  • 纯 MOS 亚阈值带隙:用工作在亚阈值区的 MOSFET 替代 BJT,适合标准 CMOS 工艺、无寄生二极管场合,但精度和温漂通常逊于 BJT 型

按运放 / 失调处理方式分

  • 传统运放型带隙
  • 斩波稳定(chopper)带隙:内嵌 chopper 调制去失调,用于高精度、低温漂场合
  • 三管运放(如 PTAT-based 自偏置)结构

其它特殊变体

  • 全差分 / 折叠型、分段曲率补偿型、以及无运放(全电流镜)实现
  • 与 LDO、ADC 参考、电荷泵等搭配使用的专用版(如你之前关注的低压 DNW、BCD 工艺下的横向 PNP 实现)

如果要落到具体设计,一般先定三件事:目标输出电压(1.2V 还是可调低压)、工艺(BJT 可用性)、精度 / 温漂指标 —— 这决定了选哪种拓扑。需要我针对某一类(比如电流模式低压带隙,或曲率补偿具体电路)展开讲吗?

无运放bandgap

“无运放带隙” 没有单一定义,业界主要有三条实现路线,而 “电流模式”(Banba 型)是其中最主流的一种 —— 它靠电流镜 / 自偏置环路替代运放的钳位作用,先分别生成 CTAT 和 PTAT 电流、再电流相加转成电压。

无运放带隙的三种实现形态

1. Widlar 型(分立 / 双极时代的 “三管无运放”)

  • 1971 年 Bob Widlar 为 LM113 设计的首个带隙基准,三个晶体管 + 三个电阻、全电路无运放。
  • 关键:靠 Q3 这一个晶体管做增益元件完成环路闭合(类似 “有源钳位”),电流密度比来自电阻比 R2/R1。
  • 特点:器件最省,但环路增益低 → 线性调整率(line regulation)比运放型差。Carsten Wulff

2. 无运放的 Banba 型(电流模式,最主流)

  • 传统 Banba 用运放钳位保证两点电压相等;去掉运放后,改用套叠威尔逊电流镜(如 NM9/NM10、PM7~PM10)来完成 “A、B 支路电流相等 + A、B 电压相等” 的功能,输出阻抗高、电流传输精度高。西安电子科技大学学报
  • 原理上仍遵循 “电流模式” 本质:负温系数电流 IC=VEB1/R2,正温系数电流 IP=VT・lnN/R1,电流镜像到输出电阻 RL 相加得到 VREF,输出电压可低于 1.2V(由电阻比自由设定)。
  • 由于省掉运放的增益和偏置电流,功耗和复杂度下降,代价是需要更精细的电流镜匹配来保证支路电压相等。

3. Brokaw 型去运放 / 纯 MOS 亚阈值无运放

  • Brokaw 结构去掉运放后,靠增加 M4、M5 等镜像管提升电流复制精度、压低 Q1/Q2 集电极电压差、减小厄利效应,从而不消耗额外偏置电流。Researching
  • 另有纯 MOS 亚阈值无运放基准(如哈工大 130nm 那类),用亚阈值 NMOS 的 ΔVGS 替代 BJT,适合标准 CMOS,但温漂 / 精度通常逊于 BJT 型。哈尔滨工业大学计算学部

电流模式带隙(Banba)的关键点

  • 核心等式:VREF = RL·(VT·lnN/R1 + VEB1/R2),一阶补偿靠 R1/R2 比值与发射结面积比 N。
  • 两个绕不开的后续:曲率补偿(高阶 T・lnT 项用亚阈值 MOS 或差动电流补偿)和分段补偿(高温段再叠加一段补偿电流扩展温度范围)。
  • 实测参考:180nm 无运放 Banba + 高阶 + 分段补偿,-40~160℃ 温度系数可做到约 7.2ppm/℃、低频 PSRR -48.5dB。西安电子科技大学学报

取舍一句话

  • 追求省功耗、省器件、低压输出→ 选无运放 Banba(电流模式);
  • 追求线性调整率最好→ 还是得回到运放型;
  • 温漂要求 >50ppm 就够 → 不必上曲率补偿,省面积。

需要的话,我可以给你画一张无运放 Banba 电流模式带隙的具体电路 / 电流走向图,或者展开讲曲率补偿那一路怎么做。

Q:Banba 模型,小环路的增益为 31-41dB,增益误差如何影响环路输出精度的?

RELATED READING

延伸阅读

更多一线实战笔记与深度复盘,助您持续精进