带隙基准
Bandgap Reference（BGR）也称 带隙电压基准、基准源、bandgap voltage reference、BGR
带隙基准把双极结VBE的负温度系数与两结VBE差的正温度系数按比例相加，生成对一阶温度变化较不敏感的电压或电流参考。
速览
约 1 分钟基准不是稳压器的同义词，而是给偏置、ADC/DAC和稳压环提供尺度。传统硅带隙电路用CTAT的VBE加上放大的PTAT量ΔVBE，令目标温度附近的一阶斜率相抵，输出通常约1.2 V。这个值仍会随工艺、曲率、失调、电阻温漂、电源和噪声变化。
系统理解
约 3 分钟带隙基准从两个相反温度趋势出发。双极晶体管在近似恒定集电极电流下的VBE随温度升高而下降；两个面积或电流密度不同但匹配的结产生ΔVBE=VT ln(n)，其中VT=kT/q与绝对温度成正比。电路用电阻比或电流镜把ΔVBE放大，再与VBE相加，使目标温区中心的一阶温度系数接近零。
“带隙”这一名称来自把外推的结电压温度关系组合到接近硅禁带电压尺度，并不表示电路直接测量材料禁带。典型约1.2 V输出还不是普适常数：器件电流密度、工艺垂直PNP、VBE曲率、电阻温度系数和比例误差都会移动最佳权重。低电源系统可先产生温度补偿电流，再在较低电阻上形成低于1.2 V的输出，但低压并未消除器件裕量、噪声和启动问题。
自偏置带隙常同时存在期望工作点和零电流平衡点，所以必须有启动支路在上电时把状态推离零电流，并在正常工作后退出而不污染精度。运放有限增益、失调和输入共模范围会破坏等电位或电流密度关系；基极电流、电流镜失配、电阻比和温漂进一步进入输出误差。电源抑制也随频率变化，输出去耦、电路极点和负载会改变启动与稳定。
完整规格需分开初始精度、温度漂移、线性调整率、负载调整率、PSRR、噪声、启动时间、静态电流和长期漂移。室温单点修调只能去除部分截距或比例误差，不能自动校正温度曲率和封装应力；验证必须覆盖温度、工艺、供电、启动斜率、负载、蒙特卡洛和版图寄生。
承接PN结、双极器件温度特性、运放和电流镜，向上连接稳压器、ADC/DAC参考、偏置网络和振荡器控制。
公式提示
关键参数
| 参数 | 单位 | 含义 |
|---|---|---|
| 输出电压与初始精度 | V / % | 规定名义参考和室温工艺偏差 |
| 温度系数与曲率 | ppm/°C | 描述规定温区内残余一阶及高阶漂移 |
| 线性/负载调整率与PSRR | %/V / dB | 描述供电和负载扰动传入输出的程度 |
| 输出噪声与长期漂移 | V rms / ppm | 限制精密转换和低频测量的稳定尺度 |
| 启动时间与静态电流 | s / A | 决定上电可用性和功耗 |
常见误区
- 把带隙基准与材料禁带宽度节点混为同一概念
- 认为输出约1.2 V就天然零温漂且绝对准确
- 认为启动电路只影响上电瞬间而不会污染稳态精度
- 认为室温修调可同时消除曲率、噪声和长期漂移
- 认为低压带隙可无条件在任意低供电下工作
工程深入
16 条结论 · 1 道例题相反温度系数的合成
面积比可计算PTAT量和所需权重
室温热电压和器件面积比给出ΔVBE量级，再由目标参考与VBE差值反推一阶权重。12
m=(VREF−VBE)/ΔVBE
- m
- PTAT放大权重
成立条件 教学例假设理想指数关系和给定VBE；不能代替跨温度工艺仿真
例题：动手算一次教学假设，可复算
300 K时两个结的电流密度比n=8，若VBE=0.700 V并希望VREF=1.200 V，理想ΔVBE和权重m是多少？
已知
- VT≈25.85 mV
- n=8
- VBE=0.700 V
- VREF=1.200 V
步骤
- ΔVBE=25.85 mV×ln(8)≈53.8 mV，由电流密度比生成PTAT电压
- m=(1.200−0.700)/0.0538≈9.29，把PTAT分量放大到目标差值
结果给出电阻比或等效比例网络的首轮设计量级。
不能外推到 真实VBE、温度斜率、曲率、电阻温漂、运放失调、基极电流和工艺失配会改变最佳权重。
启动与闭环成立
误差与环境
低压与系统连接
出处
2 本教材 · 2 处引用- 1
模拟CMOS集成电路设计
- 第 12 章 §§12.1–12.8 支持：带隙基准是电路参考而不是材料禁带；VBE提供负温度系数分量；不同电流密度产生PTAT的ΔVBE；权重使目标温度附近一阶斜率相消；面积比可计算PTAT量和所需权重；自偏置环可能同时存在零电流平衡点；启动支路要推离零状态并在稳态退出；运放等电位假设受增益、失调和输入范围限制；电阻比准确不等于绝对电阻和温漂无关；VBE曲率留下高阶温度残差；PSRR是频率相关的传递而非单一常数；低频噪声和运放噪声直接污染参考尺度；低压带隙常先合成补偿电流再缩放输出；修调只能校正被观测和可控制的误差分量；ADC与DAC的绝对尺度继承参考误差；完整验证把温度、电源、启动和统计误差同时闭环
- 2
芯片设计：CMOS模拟集成电路设计与仿真实例（基于Cadence IC 617）
- 第 8 章 §§8.1–8.3 支持：带隙基准是电路参考而不是材料禁带；VBE提供负温度系数分量；不同电流密度产生PTAT的ΔVBE；权重使目标温度附近一阶斜率相消；面积比可计算PTAT量和所需权重；自偏置环可能同时存在零电流平衡点；启动支路要推离零状态并在稳态退出；运放等电位假设受增益、失调和输入范围限制；电阻比准确不等于绝对电阻和温漂无关；VBE曲率留下高阶温度残差；PSRR是频率相关的传递而非单一常数；低频噪声和运放噪声直接污染参考尺度；低压带隙常先合成补偿电流再缩放输出；修调只能校正被观测和可控制的误差分量；ADC与DAC的绝对尺度继承参考误差；完整验证把温度、电源、启动和统计误差同时闭环