第3章 LDO核心电路设计（一）

3、LDO核心电路设计（一）：带隙基准（Bandgap）原理、Brokaw带隙基准电路设计、启动电路设计

各位同学，咱们今天聊聊LDO里最核心的模块之一——带隙基准。

说实话，做电源管理这么多年，我见过太多因为基准源没做好导致整个芯片翻车的案例。带隙基准这东西，说白了就是给LDO提供一个“定海神针”——不管温度怎么变、电源怎么抖，它输出的电压都得稳如泰山。

你想想看，如果基准电压飘了，LDO的输出电压肯定跟着飘，那后级电路还怎么正常工作？

3.1 带隙基准的基本原理

带隙基准的核心思想，其实挺巧妙的。它利用了两个电压的温度特性正好相反：

正温度系数电压（PTAT）：两个双极型晶体管（BJT）在不同电流密度下的VBE差值ΔVBE，这个电压与绝对温度成正比。
负温度系数电压（CTAT）：单个BJT的VBE电压，它随温度升高而降低，大约-2mV/℃。

把这两个电压按一定比例加起来，就能得到一个对温度不敏感的基准电压。这个电压值，理论上就是硅的带隙电压——大约1.25V。所以叫“带隙基准”。

核心公式：

VREF = VBE + M × ΔVBE

其中M是比例系数，通过电阻比值来设定。调整M，就能让VREF在某个温度点附近达到零温度系数。

我在项目中遇到过一个问题：有次流片回来，基准电压在低温下飘了将近20mV。查了半天，发现是电阻的温度系数没匹配好。嗯，这里要注意——电阻的温度系数也会影响基准的稳定性，不能只看BJT。

3.2 Brokaw带隙基准电路设计

Brokaw结构是我个人比较喜欢的一种带隙基准拓扑。它结构对称、性能稳定，特别适合用在LDO这种对电源抑制比（PSRR）有要求的场合。

咱们来看一个典型的Brokaw带隙基准电路：

电路结构示意（简化版）：
VDD
  |
  R1
  |
  Q1 (1倍面积)    Q2 (N倍面积)
  |                |
  R2               R3
  |                |
  GND              GND

运放的两个输入端分别接Q1和Q2的集电极
运放输出控制电流源

这个电路怎么工作的？我来拆解一下：

核心思想：运放强制Q1和Q2的集电极电压相等。
产生ΔVBE：由于Q2的面积是Q1的N倍，在相同集电极电压下，Q2的电流密度更小，导致VBE2 < VBE1。这个差值ΔVBE = VT × ln(N)，其中VT = kT/q。
产生PTAT电流：ΔVBE加在电阻R3上，产生PTAT电流I_PTAT = ΔVBE / R3。
产生基准电压：这个电流流过R1和R2，在输出端得到VREF = VBE1 + (R1+R2) × I_PTAT。

设计小技巧：

我一般把N取8或16，这样ΔVBE大约在54mV到72mV之间（室温下）。R3的取值要适中——太小了功耗大，太大了噪声大。我个人习惯让PTAT电流在1μA到10μA之间。

曾经有一次，我设计的Brokaw基准在仿真时一切正常，但实测时发现输出有低频振荡。查了半天，原来是运放的相位裕度不够。Brokaw结构里运放要驱动一个不小的负载电容，补偿一定要做足。

3.3 启动电路设计

带隙基准有个“死穴”——它存在简并偏置点。什么意思呢？就是上电时，电路可能卡在零电流状态，所有管子都关断，运放输出为高或低，基准就是不启动。

所以，启动电路是必须的。它的任务就两个：

打破零电流状态：在启动时注入一个电流脉冲，让电路脱离简并点。
启动后自动关断：基准正常工作后，启动电路要退出，不能影响基准的精度和功耗。

我常用的启动电路结构是这样的：

启动电路示意：
VDD
  |
  R_start
  |
  M_start (NMOS)
  |
  GND

M_start的栅极接基准输出VREF
当VREF=0时，M_start导通，拉低某个关键节点
当VREF建立后，M_start关断

避坑指南：

我曾经设计过一个启动电路，启动后关断不彻底，漏了几百纳安的电流。在低功耗LDO里，这点漏电流直接让静态电流超标了。后来我在启动管和基准之间加了一个反相器，确保启动管完全关断。

设计启动电路时，有几个关键点要注意：

启动时间：启动电路要足够快，但不能引起过冲。我一般让启动时间在几微秒到几十微秒。
温度适应性：低温下BJT的β会下降，启动可能变慢。高温下漏电流增大，启动电路可能误触发。
电源上电斜率：如果电源上电很慢（比如几毫秒），启动电路可能无法正常工作。需要做corner仿真验证。

嗯，说到仿真，我建议你们在做启动电路仿真时，一定要跑一下“电源斜坡”仿真——让VDD从0慢慢升到额定值，看看基准能不能可靠启动。我见过太多设计在快斜坡下能启动，慢斜坡下就卡住了。

3.4 本章知识体系

为了让大家更直观地理解本章的知识结构，我画了一张图：

这张图把带隙基准的三个核心模块串起来了。你从基本原理出发，理解PTAT和CTAT的互补关系；然后进入Brokaw电路的具体实现；最后别忘了启动电路这个“保险”。

本章核心要点：

带隙基准利用正负温度系数电压叠加，实现零温度系数基准
Brokaw结构对称性好，适合LDO应用
启动电路必须可靠，且启动后不能影响基准性能
仿真时要覆盖所有corner，特别是慢斜坡上电情况

好了，这一章的内容就到这里。带隙基准是LDO的“心脏”，把它吃透了，后面的LDO设计就会顺畅很多。下一章咱们接着聊LDO的误差放大器设计——那又是一个有意思的话题。