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几乎在所有先进的电子产品中都可以找到基准源，它们可以是独立的、也可以是集成在具有更多功能的电路中。例如在模数转换器（ADC）中，一个模拟输入信号，通过与基准源提供的参考电压相比较确定一个数字输出信号。
在数模转换器（DAC）中，一个数字输入信号，通过与基准源提供的参考电压相比较输出一个模拟信号。在电压调节器中，基准电压源提供了一个固定的电压值，用它与输出信号相比较，得到一个用于调节输出电压的反馈。在电压检测器中，基准源被当作一个设置触发点的阈值。
基准源包括基准电压源和基准电流源，基准电压源为系统提供直流参考电压，基准电流源为系统提供一个高精度的参考电流。高精度、高稳定性的CMOS 基准源是高性能模拟集成电路的必要单元。本文重点讨论的是基准电压源。

01

基准电压源的类型

根据技术工艺的不同，集成电路中大致分为四种基准电压源：齐纳基准源、掩埋齐纳（Buried Zener）基准源、XFET基准源、带隙基准（Bandgap）源。
齐纳基准成本低，但是功耗大，初始精度低，温度系数差，输入电压调整率不好。
掩埋齐纳基准具有很高的初始精度，小的温度系数和好的长期漂移稳定性，但是通常要求比较高的电源电压，而且价格昂贵。
XFET基准有三个显著的特点：首先在相同的工作电流下，它的峰-峰值噪声电压通常比带隙基准源要低好多；其次XFET基准在工业级温度范围内具有十分平坦或线性的温度特性曲线；再有，XFET基准具有非常好的长期漂移稳定性。缺点是需要特殊工艺来实现，成本较高。
带隙基准源是一种能工作在低电源电压下、具有较低的温度系数、较高的电源抑制比（PSRR）、并且能够与CMOS工艺相兼容的基准源。
综合来看，掩埋齐纳基准的性能优于其它类型的基准，常用于高分辨率的系统当中。XFET基准的性能界于带隙基准和齐纳基准之间。虽然掩埋齐纳基准源和XFET基准源的输出稳定性都很好，但是它们的制造工艺不能兼容标准CMOS工艺。CMOS带隙基准由于具有良好的性能、价格适中且容易集成等优点，成为当今基准源的主流技术。本文将主要讨论CMOS带隙基准源。

02

带隙基准电压源概述

带隙基准电压源的基本原理是将两个拥有相反温度系数（Temperature Coefficient）的电压以合适的权重相加，最终获得具有零温度系数的基准电压。例如，电压V+拥有正温度系数，电压V-拥有负温度系数，存在合适的权重α和β满足:

这样就得到具有零温度系数的基准电压。
在半导体工艺各种不同的器件中，双极型晶体管（BJT）有以下两个特性：
1)双极型晶体管的基极-发射极电压（VBE）电压与绝对温度成反比；
2)在不同的集电极电流下，两个双极型晶体管的基极-发射级电压的差值（ΔVBE）与绝对温度成正比。若能将这两种电压以一定的权重进行相加，所得到的电压就能近似具有零温度系数。因此，双极晶体管是构成带隙基准电路的核心。
自从带隙基准电路由Widlar 第一个提出来以后，电路设计者们提出了很多种的电路结构。但是不管电路结构再复杂、性能再突出，它们基本上是以传统的几种电路结构为基础。以下介绍4种典型的带隙基准电路结构。
1、Widlar带隙基准电路
Widlar在1971 年第一个提出带隙基准电路，电路结构如下图1所示。
Widlar带隙基准电路（图源：网络）
2、Kujik带隙基准电路
Kujik带隙基准电路是Kujik在1973 年提出的，电路结构如下图2所示。
Kujik带隙基准电路（图源：网络）
在Kujik带隙基准电路的电路结构中，由于电路的不对称，运放会产生输入失调电压。运放的失调电压会使输出电压产生误差。
3、Brokaw 带隙基准电路
1974 年Brokaw提出了一种新的带隙基准电路，使输出电压受电源的影响减小，电路结构如下图3所示。
Brokaw 带隙基准电路（图源：网络）
3、CMOS 带隙基准电路
基于CMOS工艺的带隙基准电路如下图4所示，用两个宽长比相等的PMOS管做电流源而不是电阻来给晶体管提供偏置。
CMOS 带隙基准源（图源：网络）


03

BQ76952中的BANDGAP

BQ76952是高精度电池监测器和保护器，支持3 节至 16 节串联多节锂离子、锂聚合物和磷酸铁锂电池包。此器件集成了保护、监控、库仑计数器、电芯均衡、稳压器和高侧驱动器等功能。
BQ76952包括两个电压基准源分别为VREF1和VREF2，其中VREF1用于除了外部热敏电阻外的电压ADC大多数测量。VREF2用于1.8v LDO、内部振荡器、集成库伦计数器ADC，同时VREF2的值可以通过电压ADC间接测量。本文将主要介绍BQ76952电压基准源VREF2。下图5为BQ76952的芯片框图，其中红框区域为VREF2.
BQ76952block diagram（图源：规格书）

BQ76952的多晶概貌图（图源：IPBrain平台）

BQ76952局部放大概貌图（图源：IPBrain平台）
上图6为BQ76952芯片多晶层的概貌图，其中黄框区域为BANDGAP电路。上图7为BANDGAP电路多晶层概貌图。
带隙基准的基本原理是利用晶体管基射结电压差的正温度系数去补偿晶体管基射结电压的负温度系数，从而实现零温度系数。BQ76952的电压基准源采用CMOS带隙基准电路结构，如下图8所示。
在图9中的运算放大器起钳位作用，使得运放两端Vx和Vy稳定在近似相等的电压，输出电压：

其中：
所以：
上式中VBE2的温度系数∂VBE/∂T可看作负常数，VT与绝对温度成正比，所以，上图电路中，只要N, R2, R3合适就可以获得零温度系数。
BQ76952中BANDGAP电路图（图源：IPBrain平台）

BQ76952中BANDGAP电路局部放大图
（图源：IPBrain平台）

BQ76952中AMP和RES_ADJ电路
（图源：IPBrain平台）

04

BQ76952中BANDGAP的仿真分析

基于Cadence Spectre 仿真器，采用SMIC 0.18um工艺模型，对BANDGAP电路在典型工艺（tt）下的仿真结果如下。
温度系数仿真
温度系数是衡量带隙电压源输出电压随温度变化的一个性能参数，它是衡量电压基准源的关键性技术，好的电路设计应该是具有很低的温度系数。其单位为ppm/℃ (ppm 表示百万分之一)，表示当温度变化1℃时，输出电压变化的百万分比。其计算方法可表示为：
在5V的供电电压下，对带隙基准源在-45-80ºC 和0-60ºC的温度范围内进行扫描，得到如下图10，图11所示的温度曲线。结果显示带隙基准源在-45-80ºC的温度范围内具有25.45ppm/ºC 的温度系数，在0-60ºC的温度范围内具有30.99ppm/ºC 的温度系数。仿真结果表明BQ76952的带隙基准电路具有良好的温度特性，符其对温度特性的要求。
-45-80ºC温度系数仿真图（图源：IPBrain平台）

0-60ºC温度系数仿真图（图源：IPBrain平台）
功耗仿真
功耗是带隙基准电压源的一个很重要的性能指标，能够反映电路正常工作下消耗电流多少。为了获得更小的噪声以及更快的响应速度，都需要增加功耗。然而芯片由于应用的要求，以及散热条件的制约，其功耗是受到制约的。带隙基准电压源的功耗通常在uW数量级。
在5V的供电电压下，功耗仿真结果如图12所示：
电路功耗仿真图（图源：IPBrain平台）

根据仿真结果，计算电路功耗。功耗的计算可以用总电流I 乘以电压VINT 得出。即：P=I*VINT = 100.1u * 5v =500.5uW
启动时间
启动时间是指从电源上电到基准电压达到正常输出值时所需要的时间。一般规定输出值达到典型值的95％以上，即表示稳定状态建立。随着便携式电子产品的迅速发展，为了降低功耗用电池供电的系统常采用间歇式供电，因此带隙基准源的这个参数显得越来越重要。
由图13所示结果，当电源电压从0V跳变到5V时，电路启动时间约为250us。
电路启动时间仿真图（图源：IPBrain平台）

电源电压调整率
电源电压调整率是衡量在直流情况下输入电源电压波动对基准的影响程度，是一个直流的性能参数，一般用ppm/V为单位表示。电源电压调整率越小说明电源电压对电压基准源的输出电压影响就越小。其计算公式为：
电源电压从5V变化到5.5V，对电路进行直流扫描，得到图14的特性曲线。在电源电压从5V变化到5.5V的整个电压范围内，输出基准电压变化了2.368uV,电源电压的调整率为3.819ppm/uV。
电源电压调整率（图源：IPBrain平台）

05

总结

以上是对BQ76952中BANDGAP的仿真分析，具有一定的代表性。
带隙基准电压源是模拟和混合信号集成电路的重要组成部分，作为“基准”其性能直接影响整个电路或者系统的性能。随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如A/D、D/A 转换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。希望本篇BANDGAP能够帮助大家更好地了解BANDGAP的知识。

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