带隙基准详解：图文教程（一）

什么是带隙基准？图文教程

带隙基准（Bandgap Reference）是电子工程中一个重要的概念，广泛应用于电压基准源和温度传感器等领域。它通过半导体物理中的带隙能量特性，实现稳定的电压输出，具有高精度和低温度系数的特点。下面通过图文教程的形式，详细介绍带隙基准的原理、实现和应用。

一、带隙基准的基本原理

1. 能带结构

半导体材料的能带结构是决定其电学性质的基础。能带分为价带、禁带和导带。价带中的电子是束缚的，而导带中的电子是自由的。禁带宽度Eg（Energy Gap）即为价带顶和导带底之间的能量差。


2. 带隙能量与温度的关系

禁带宽度Eg与温度T有关，通常可以表示为：

\[

E_g(T) = E_g(0) - \alpha T^2 / (T + \beta)

\]

其中，Eg(0)是0K时的禁带宽度，α和β是材料常数。对于硅（Si），Eg(0)约为1.17eV，α约为4.73×10^-4 eV/K²，β约为636K。


3. PN结电压的温度特性

PN结的正向导通电压具有负温度系数，即随着温度的升高而降低。这是因为温度升高，热激发导致更多的价带电子跃迁到导带，增加了PN结中的载流子浓度，从而降低了导通电压。


4. 带隙基准的实现思路

带隙基准的实现思路是通过适当组合PN结电压和具有正温度系数的电压，使二者相互补偿，实现与温度无关的电压输出。具有正温度系数的电压可以通过某些特定的电路结构（如CTAT和PTAT电路）来获得。

二、带隙基准电路的实现

1. 简单的带隙基准电路

最简单的带隙基准电路通常由两个双极型晶体管（BJT）和几个电阻组成。通过巧妙设计，使电路输出一个稳定的电压。


在这个电路中，Q1和Q2是相同的BJT，但Q2的发射极电阻Re2是Q1发射极电阻Re1的n倍（n>1）。Q1和Q2的基极电流相等，但由于Re2较大，Q2的发射极电流小于Q1的发射极电流，导致Q2的Vbe2大于Q1的Vbe1。

通过电阻R1和R2的分压，得到一个与Vbe2-Vbe1相关的电压Vout。由于Vbe具有负温度系数，而Vbe2-Vbe1通过适当的电路设计可以具有正温度系数，二者相互补偿，使Vout趋于稳定。

2. 改进型带隙基准电路

为了进一步提高精度和稳定性，可以对简单的带隙基准电路进行改进。改进的方法包括增加运算放大器进行反馈控制、采用更精确的电阻和BJT等。


在这个改进型电路中，运算放大器A1和A2提供精确的电流控制，使Q1和Q2的电流更加稳定。通过调整电阻R1、R2、R3和R4的值，可以进一步优化电路的性能。

三、带隙基准的应用

1. 电压基准源

带隙基准电路可以作为电压基准源，为模拟电路和数字电路提供稳定的电压参考。其高精度和低温度系数的特点使其成为各种高精度电子设备的首选。


2. 温度传感器

由于带隙基准电路的输出电压与温度有关，因此也可以用作温度传感器。通过测量电路的输出电压，可以间接得到温度信息。这种温度传感器具有响应速度快、精度高的特点。


3. 电源管理

在电源管理电路中，带隙基准电路可以用于稳定输出电压和电流，保护电路免受过压、过流等故障的影响。其高精度和低功耗的特点使其成为便携式电子设备和嵌入式系统的理想选择。