1. 从一个让人头疼的温漂问题说起做模拟电路的人几乎都绕不开一个东西——基准源。你设计一个ADC需要一个不随温度、电源电压变化的参考电压你做一个LDO需要一个精准的参考来设定输出电压你搞一个传感器信号链更需要一个稳定的基准来保证测量精度。可以说基准源就是整个模拟系统的“定海神针”。但问题来了你手里只有硅片硅的PN结电压天生就带温度系数大约-2mV/°C。你拿一个随温度漂移的电压去做基准那整个系统的精度就无从谈起。这时候Bandgap带隙基准源就登场了。它的核心思路非常巧妙既然PN结电压随温度下降那我就想办法造出一个随温度上升的电压让两者按合适的比例相加温度系数正好抵消。这个“随温度上升的电压”就是两个不同电流密度下PN结电压的差值也就是ΔVBE它正比于绝对温度PTAT。这个思路听起来简单但真正落到电路设计上架构选取、启动电路、运放失调、噪声、电源抑制比每一个都是坑。我见过太多人第一次做Bandgap仿真看着挺好流片回来一测温漂大得离谱或者干脆启动不起来。所以这篇文章我想从基本原理出发把架构选取这件事掰开揉碎讲清楚。不管你是刚接触模拟IC的学生还是已经做过几个项目的工程师应该都能从中找到一些有用的东西。2. Bandgap的核心原理为什么是1.2V左右2.1 从一个二极管说起VBE的温度特性先看最基础的东西。一个二极管或者二极管连接的三极管它的基极-发射极电压VBE和温度是什么关系根据半导体物理VBE可以写成VBE VG0 - (VG0 - VBE0) * T/T0 - (η - m) * (kT/q) * ln(T/T0)这个公式看着复杂但抓住核心就行VBE随温度升高而降低而且这个关系在室温附近近似线性。典型值大约是-1.5mV/°C到-2.5mV/°C具体取决于工艺和偏置电流。这个负温度系数就是我们要补偿的对象。那怎么补偿我们需要一个正温度系数的电压。最自然的来源就是两个三极管在不同电流密度下的VBE差值。2.2 ΔVBE一个天然的正温度系数电压假设有两个三极管Q1和Q2它们的发射极面积比是1:N流过它们的集电极电流相等。那么ΔVBE VBE1 - VBE2 (kT/q) * ln(N)这个ΔVBE正比于绝对温度T温度系数大约是0.087mV/°C当N8时。注意这个正温度系数只和温度有关和工艺角、偏置电流的关系相对较小这是它非常宝贵的一个特性。现在我们有了一块“负温度系数的砖”和一块“正温度系数的砖”。如果把VBE乘以一个系数αΔVBE乘以一个系数β然后相加VREF α * VBE β * ΔVBE只要α和β选得合适就能让VREF的温度系数在某个温度点附近为零。这就是Bandgap的核心思想。2.3 为什么输出电压是1.2V左右在室温下VBE大约是0.7VΔVBE大约是0.054VN8时。要让温度系数为零需要满足α * (-1.5mV/°C) β * (0.087mV/°C) 0也就是β/α ≈ 17.2。如果取α1那么β≈17.2VREF 0.7 17.2 * 0.054 ≈ 1.63V。这好像不是1.2V啊别急这里有个细节。实际上VBE的温度系数并不是恒定的-1.5mV/°C它本身也随温度变化。更准确地说当我们在某个温度点比如室温让温度系数为零时VREF的值会趋近于硅的带隙电压外推值大约是1.2V左右。这个1.2V不是随便来的它和硅的带隙电压0K时约1.17V有深刻联系这也是“Bandgap”这个名字的由来。注意实际设计中VREF并不一定严格等于1.2V。根据架构不同可能是1.2V、1.25V甚至通过电阻分压得到更低的电压。但核心原理不变。3. 架构选取从简单到复杂怎么选3.1 最经典的Kujik架构电流模还是电压模说到Bandgap架构最经典的就是Kujik在1973年提出的结构。这个结构的核心是用一个运放强制两个节点的电压相等从而在电阻上产生ΔVBE再把ΔVBE放大后和VBE相加。但这里有个关键分岔电压模Voltage Mode和电流模Current Mode。电压模的做法是直接把VBE和放大后的ΔVBE在电压域相加。典型电路是Q1和Q2的VBE分别接到运放的两个输入端运放输出控制电流源电流流过电阻产生电压。这种架构的优点是直观缺点是运放的输入共模范围必须包含VBE约0.7V在低电源电压下比较吃力。电流模的做法是先把VBE和ΔVBE都转换成电流然后在电流域相加最后通过一个电阻把电流转换成电压。这种架构的优点是运放输入共模范围可以更低适合低电源电压设计。而且电流模架构更容易做高阶温度补偿。我个人的经验是如果电源电压在1.8V以上电压模和电流模都可以用如果电源电压低于1.5V优先考虑电流模。因为电压模的运放输入共模需要包含VBE在低电源下运放设计会非常困难。3.2 Banba架构低电压低功耗的利器Banba架构是1999年提出的专门针对低电源电压和低功耗场景。它的核心创新是不直接产生1.2V的基准电压而是产生一个小的PTAT电流和CTAT电流然后通过电阻产生任意想要的基准电压。这个架构的好处非常明显电源电压可以低到1V左右因为不需要堆叠VBE和电阻压降。基准电压可以通过电阻比例自由设定不限于1.2V。功耗可以做得非常低因为所有支路电流都可以按比例缩小。但代价是电阻匹配变得极其关键。因为基准电压的精度直接取决于电阻比值而电阻比值在工艺上会有偏差。另外Banba架构通常需要两个运放或者一个运放加电流镜电路复杂度稍高。我做过一个项目电源电压只有1.2V要求基准电压0.6V功耗小于10μA。当时试了电压模Kujik架构运放根本没法工作。后来换成Banba架构一次成功。所以低电压场景下Banba架构几乎是首选。3.3 高阶补偿架构什么时候需要怎么实现基本的Bandgap只能做到一阶补偿也就是在某个温度点附近温度系数为零但整个温度范围内还是会有弯曲。典型的一阶Bandgap温漂在20-50ppm/°C左右。如果应用要求更高比如高精度ADC或者精密仪器就需要高阶补偿。高阶补偿的思路主要有几种分段线性补偿在不同温度区间用不同的补偿系数。二阶曲率补偿利用VBE中ln(T)项通过一个PTAT²电流或者类似机制来抵消。指数补偿利用三极管在特定偏置下的指数特性。这些方法我都在不同项目里试过。分段线性补偿实现简单但需要额外的比较器和逻辑而且补偿点需要校准。二阶曲率补偿效果更好但电路更复杂对匹配要求更高。指数补偿理论上最精确但实际中受工艺影响很大调试周期长。我的建议如果温漂要求低于10ppm/°C再考虑高阶补偿。否则一阶补偿加上良好的版图匹配通常就够了。4. 那些仿真看不出来、流片才暴露的坑4.1 启动电路最容易被忽略的致命问题Bandgap电路有一个天然的问题它有两个稳定状态。一个是正常工作状态另一个是“零状态”——所有晶体管都截止电流为零。如果你不加启动电路电路可能永远停在零状态。我见过太多人仿真时忘了加启动电路或者启动电路设计不当结果流片回来芯片不工作。启动电路的核心是在电路上电时注入一个电流把电路从零状态推出来然后在正常工作后自动关闭。常见的启动电路有两种电容耦合启动利用上电时电容的耦合作用注入电流。优点是简单缺点是启动时间受电容和电阻影响而且如果电源上升时间很慢可能启动失败。电流镜检测启动检测某个支路电流如果为零则注入启动电流。优点是可靠缺点是增加功耗和面积。我个人的经验是优先用电流镜检测启动虽然多几条支路但可靠性高得多。特别是对于低功耗应用电源上升时间可能很长电容耦合启动很容易失败。4.2 运放失调看不见的精度杀手Bandgap的精度很大程度上取决于运放的失调电压。因为运放的作用是强制两个节点电压相等如果运放有失调那么两个节点的电压就不相等导致ΔVBE产生误差最终影响基准电压。运放失调的来源主要有两个随机失调和系统失调。随机失调来自晶体管匹配可以通过增大面积来减小。系统失调来自电路结构不对称比如电流镜的沟道长度调制效应。我做过一个对比实验同样的Bandgap核心用不同运放。一个用简单的单级运放失调大约5mV另一个用带斩波稳定的运放失调小于100μV。结果基准电压的温漂从30ppm/°C降到了5ppm/°C。所以如果精度要求高运放失调必须认真处理。处理运放失调的方法增大输入对管面积面积增大4倍失调减小一半。斩波稳定通过调制和解调把失调搬到高频然后滤掉。效果最好但增加电路复杂度和开关噪声。自动调零在启动时采样失调并存储然后补偿。适合低速应用。4.3 电阻匹配版图比电路更重要Bandgap的精度还取决于电阻匹配。因为ΔVBE是通过电阻比值放大的如果电阻比值有偏差基准电压就会偏差。电阻匹配的坑主要在版图方向效应不同方向的电阻阻值会有差异。所以匹配电阻必须同方向。温度梯度芯片上不同位置的温度不同如果匹配电阻离得远温度差异会导致阻值差异。所以匹配电阻必须靠近最好用交叉阵列。边缘效应电阻边缘的刻蚀速率和中间不同导致阻值偏差。所以匹配电阻需要加dummy。我见过一个案例Bandgap的电阻匹配做得不好导致基准电压在芯片不同位置差异达到10mV。后来重新布局用交叉阵列加dummy差异降到了1mV以内。所以版图工程师的经验在这里非常关键。5. 架构选取的决策框架从需求出发5.1 先问自己几个问题选架构之前先明确需求。我通常会问电源电压范围是多少最低多少基准电压需要多少精度要求多少功耗预算多少温度范围是多少温漂要求多少面积预算多少有没有校准条件这些问题的答案会直接决定架构选择。比如电源电压1.2V、功耗10μA、温漂50ppm/°C那Banba架构几乎是唯一选择。如果电源电压3.3V、功耗1mA、温漂5ppm/°C那可以考虑电压模Kujik加斩波运放加高阶补偿。5.2 一个实用的架构对比表架构类型电源电压功耗温漂一阶复杂度适用场景电压模Kujik1.8V中等20-50ppm/°C低通用场景电流模Kujik1.5V中等20-50ppm/°C中低电压场景Banba1V低30-60ppm/°C中低电压低功耗高阶补偿1.8V高10ppm/°C高高精度场景这个表是我根据实际项目经验总结的具体数值会因工艺和设计而异但大致趋势是可靠的。5.3 一个真实的选型案例去年我做一个物联网传感器芯片电源电压1.8V-3.6V基准电压1.2V功耗预算50μA温漂要求30ppm/°C面积预算0.05mm²。一开始我选了电压模Kujik架构因为最熟悉。但仿真发现在1.8V电源下运放的输入共模范围不够导致增益下降精度变差。后来换成电流模Kujik架构运放输入共模可以低到0.7V问题解决。最终流片测试温漂28ppm/°C满足要求。这个案例说明架构选取不是选最先进的而是选最合适的。电压模Kujik虽然经典但在低电源下不一定好用。6. 仿真验证怎么确认你的Bandgap真的靠谱6.1 DC仿真看温度系数和电源抑制比DC仿真是最基础的。你需要做温度扫描从-40°C到125°C看基准电压的变化。计算温漂ppm/°C (Vmax - Vmin) / (Vnom * ΔT) * 1e6。电源扫描从最低电源到最高电源看基准电压的变化。计算电源抑制比PSRR ΔVREF / ΔVDD。工艺角仿真跑TT、FF、SS、FS、SF等工艺角看基准电压的偏差。这里有个坑温度扫描的步长要足够小。我见过有人用10°C步长结果漏掉了温度曲线上的拐点。建议至少用1°C步长最好用0.5°C。6.2 瞬态仿真看启动时间和稳定性瞬态仿真主要看启动时间从上电到基准电压稳定的时间。通常要求小于1ms。启动过冲启动过程中基准电压的最大过冲。过冲太大会影响后续电路。稳定性在电源波动或者负载变化时基准电压的恢复时间。启动仿真有个技巧用PWL电源模拟真实的上电过程。不要用理想的阶跃电源因为真实电源有上升时间。我通常用1ms上升时间的PWL这样更接近实际。6.3 Monte Carlo仿真看良率Monte Carlo仿真是评估良率的关键。你需要跑工艺偏差包括Vth、Beta、电阻等参数的偏差。失配偏差包括运放输入对管、电流镜、电阻等的失配。通常跑200-500次看基准电压的分布。如果3σ偏差超过规格就需要优化设计。我做过一个项目Monte Carlo仿真显示3σ偏差是±15mV但规格是±10mV。后来通过增大运放输入对管面积和电阻面积3σ偏差降到了±8mV。所以Monte Carlo仿真不是走过场而是真正指导设计优化的工具。7. 一些零散但重要的经验7.1 关于噪声Bandgap的噪声主要来自运放和电阻。运放的噪声会通过环路放大电阻的热噪声会直接叠加在基准电压上。如果应用对噪声敏感比如高精度ADC就需要考虑噪声滤波。降低噪声的方法增大运放输入对管的面积减小1/f噪声。增大电阻面积减小热噪声。加输出滤波电容滤除高频噪声。但注意电容太大会影响启动时间。7.2 关于版图Bandgap的版图有几个关键点匹配运放输入对管、电流镜、电阻都必须匹配。用交叉阵列、加dummy、同方向。隔离Bandgap对衬底噪声敏感需要用保护环隔离。走线敏感节点走线要短避免耦合噪声。我见过一个案例Bandgap的版图没有加保护环结果附近数字电路的开关噪声耦合进来导致基准电压抖动。后来加了保护环问题解决。所以版图不是电路设计的附属品而是设计的一部分。7.3 关于测试Bandgap的测试也有讲究温度测试用温箱从-40°C到125°C每个温度点稳定后测量。电源测试用可编程电源扫描测量基准电压变化。噪声测试用频谱分析仪或者示波器测量噪声。测试时要注意测量点要靠近芯片引脚避免PCB走线引入噪声。我通常会在PCB上放一个缓冲运放把基准电压缓冲后再测量。8. 写在最后Bandgap带隙基准源看起来简单但真正做好并不容易。从原理理解到架构选取从仿真验证到版图设计每一个环节都有坑。我做了这么多年也不敢说完全掌握了。但有一点是肯定的理解原理是基础架构选取是关键仿真验证是保障版图设计是升华。如果你正在做Bandgap设计我的建议是先把手头的架构吃透不要盲目追求先进架构。很多问题不是架构本身的问题而是设计细节没做好。比如启动电路、运放失调、电阻匹配这些才是决定成败的关键。另外多流片多测试多总结。仿真和实测的差距往往就是经验积累的来源。我到现在还保留着每一个项目的测试数据时不时翻出来看看每次都有新收获。希望这篇文章能帮你少走一些弯路。如果有问题欢迎交流。