18. 如何理解模拟集成电路模块系列之二：带隙？

大家好！今天我想要讲解的是模拟集成电路中经常会使用到的一个功能模块，而且是大家在进行模拟集成电路学习中首先就会涉及的一个模块：带隙电路。

之所以带隙电路在模拟集成电路中的公共功能模块的地位很重要，主要是因为在应用中，客户需要系统的某些性能不随温度变化，特别是电压特性；举个例子，在模数转换电路中，基准的稳定性决定了模数转换的精度，这时带隙输出电压的特性就尤为显得重要了。

下面我就按照两个方面对带隙电路进行讲解，一个方面是电路结构，另一个方面是性能参数。

首先从电路结构方面看，我一般将带隙电路分为五个部分，它们是：负温度系数电路、正温度系数电路、运算放大器、启动电路、反馈电路。其中负温度系数电路是利用了三极管的基级-集电极电压的温度特性，通过在三极管组成的负温度系数支路上输入一定额度的电流，从而形成负温度系数电压；

一般来说，对应一个独立的电路支路，由于有源器件的温度特性，所以无法设计一个和温度无关的电路，但是由于不用的有源器件或者组合的温度特性不相同，所以可以通过正温度系数电路和负温度系数电路的组合，从而达到和温度无关，即采用“正负相抵”的原理。所以一般正温度系数电路是采用两个三极管支路的输出电压之差，通过这个电压差来产生正温度系数电压。

第三部分是运算放大器，这部分电路主要配合完成正温度系数电路中的输出电压之差的功能，同时可以将支路上的电流控制在一定比例之下；一般来说，这个运算放大器的增益不需要通用型运放，只需要一个定制型的就可以了，所以用于带隙的运算放大器需要特殊设计，以便在功耗、面积上达到最优。

第四个部分电路是启动电路，这部分电路的功能也是辅助带隙电路避开零点，从而可以在电路缓慢上电后仍然能够顺利完成输出。一般来说这部分电路必须得有，不然后期芯片会出现一些奇奇怪怪的现象，而且非常不好定位，所以在设计时一定要对此电路进行极端仿真验证，以确保在任何情况下启动电路都能顺利完成相关功能。

最后一个部分是反馈电路，这部分电路主要是通过第三部分电路完成对负温度系数电路和正温度系数电路的温度控制。一般来说，这部分电路的开环增益和相位裕度也是比较重要的参数，如果没有仿真将会对带隙输出的稳定性，特别是抗干扰能力会比较弱。

好，以上我从五个电路部分讲解了带隙电路的结构，下面我来谈谈带隙电路的性能参数。对于带隙电路的性能参数我也从四个类型来进行讲解，这四个类型是：输入特性、输出特性、交流特性、极限特性。第一类型，输入特性是输入电压、输入电流，输入电压一般表现出带隙电路对工作环境的适应程度，如果输入电压范围广，则适应性强；如果输入电压范围窄，则工作条件比较苛刻；输入电流决定了带隙电路在各种不同工作电压下的功耗，一般来说，工作电压升高时，工作电流也会上升，所以功耗也会提高，这时带隙电路在不同输入电流下输出特性也不能有较大的裂化；

第二个类型，输出特性是温漂系数、功耗；这两个特性中温漂系数是带隙电路最重要的性能参数，它表现的是随着温度的变化，输出电压的变化和输出电压的比例，一般来说，温漂系数以PPM/℃为单位，我们希望温漂系数越小越好，这样在测试时就会发现带隙的输出电压基本不变；

第三个类型，交流特性是：输出噪声、电源抑制比、开环增益和相位裕度。输出噪声特性是对于带隙电路比较重要，它主要影响的是在高精度参考电压应用时，带隙电路对应用系统能提供的最高精度，它和温漂系数不一样的地方是，温漂系数是指在工作温度变化时对精度的影响，而噪声特性是指在工作温度等条件不变的情况下，电路对精度的影响。电源抑制比是反应的是在工作电源电压变化时，输出带隙电压的变化，一般来说这个参数以dB为单位，越大越好。开环增益和相位裕度指的是带隙电路的第五部分电路，补偿电路的开环增益和相位裕度，一般来说，开环增益为50dB以上，相位裕度大于60º即可。

最后一个类型，极限特性是：最大工作电压、工作温度范围。这个最大工作电压和输入电压范围的区别在于，在最大工作电压下可能带隙电路工作不正常了，但在输入电压范围的最大值时，带隙电路必须是正常工作的。工作温度范围是指PN结温下的范围，它和带隙的温度范围有些许区别，一般来说，极限特性下工作温度范围会比带隙的温度范围宽。

好，总结一下，这一讲我从五个电路部分，负温度系数电路、正温度系数电路、运算放大器、启动电路、反馈电路和九个性能参数，输入电压、输入电流、温漂系数、功耗、输出噪声、电源抑制比、开环增益和相位裕度、最大工作电压、工作温度范围，对带隙电路进行了分析，希望对大家有所帮助！