带隙基准电压-Bandgap详细介绍
在模拟集成电路中需要“基准”提供稳定的直流电压、直流电流,这样的基准几乎不受电源电压、温度的影响,由Robert Widla在1971年发明带隙基准电压源技术后,一直广泛应用于ADC/DAC等产品中。例如,放大器的偏置电流采用电流镜的方式复制电流基准源,而ADC/DAC则需要精确的电压基准来确定量化电压的范围。
将一个负温度系数和一个正温度系数的电压进行加权相加,就可以得到一个零温度系数的基准电压。一般,双极晶体管中Vbe具有负温度系数,而两个相同双极晶体管工作在不相等的电流密度下(I1/I2=n倍关系),他们的基极-发射极PN结正向电压的差值就与绝对温度成正比。
当Vbe=750mv,T=300K时,Vbe的温度系数为-1.5mV/K,表现为负温度系数。
而Vt对温度求偏导值为0.087mV/K,表现为正温度系数,当a=17.2时,具有零温度系数。
电路结构如下:
基准电压值计算如下:
为了使版图具有更好的匹配性,酌情考虑n的取值,为了使PNP晶体管偏置在良好的正向导通区,并降低功耗,需酌情考虑R1、R2的电阻值。
仿真分析如下:
1、瞬态分析下图为瞬态分析图,电源电压VDD=5v时,Vref≈1.2378V。
2、电压系数分析下图为基准电压随电源电压变化的DC扫描分析,扫描范围为3-6V,基准电压为1.238V,基本保持不变。
由上图可知,A、B两点的电压差△V=1.2410-1.2350=0.006V,取A、B两点平均值为1.238V,那么:
3、温度系数分析下图为基准电压随温度变化的DC分析扫描,温度从-20℃-130℃,基准电压
在1.2377V~1.2386V之间,变化幅度为0.9mv,基本保持不变。
此外,针对带运放的带隙基准,当电源上电时,运算放大器的X、Y点有可能均是0,则运算放大器可能关断,因此,需要上电启动机制。
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