预偏置双极晶体管 (BJT) 阵列：精密模拟电路的核心元件

在模拟集成电路设计中，对精度、温度稳定性和器件匹配性要求极高的场合，预偏置双极晶体管 (BJT) 阵列脱颖而出，成为构建精密电压基准、温度传感器、对数放大器等核心电路的关键基础元件。这类器件通过将多个匹配良好的双极晶体管以及关键的偏置电阻集成在同一硅芯片上，提供了远超分立器件或非匹配阵列的性能优势。

核心优势：卓越的匹配性与温度跟踪

  1. 紧密匹配性：

    • 工艺一致性：阵列中的所有晶体管在同一块硅衬底上，采用完全相同的工艺步骤、光刻掩模和掺杂工艺同时制造。
    • 邻近布局：晶体管在物理位置上紧密相邻，消除了芯片不同区域可能存在的工艺梯度（如掺杂浓度、氧化层厚度）影响。
    • 几何结构匹配：晶体管设计为相同尺寸和形状（发射区面积、基区宽度等），进一步减小失配。
    • 结果：显著降低关键参数（如基极-发射极电压 Vbe、电流增益 β）之间的差异。Vbe 的匹配精度可达 ±0.1mV 至 ±2mV 量级，远优于分立器件 ±5mV 甚至更高的离散性。

  2. 优异的热跟踪能力：

    • 热耦合：所有晶体管位于同一个热源（硅芯片）上，物理位置靠近，能够快速达到几乎一致的温度。
    • 结果：当环境温度变化或芯片自身功耗导致温度变化时，阵列内晶体管的 Vbe 和 β 等参数以极高的同步性变化。这对于依赖晶体管参数差值（如 ΔVbe）工作的电路（如带隙基准、温度传感器）至关重要，能极大抵消温度漂移的影响。
 

关键技术特征：内部预偏置电路

“预偏置”是这类阵列区别于普通 BJT 阵列的关键特征：

  1. 集成偏置电阻：芯片内集成了为晶体管基极或发射极提供恒定偏置电流的精密电阻。
  2. 比例电流源：预偏置电路的核心通常是高度匹配的电流镜结构（常由阵列内的部分晶体管构成），用于产生与外部设置电阻 RSET 成比例的恒定偏置电流 Ibias。基本关系为 Ibias = Vref / RSET（Vref 通常是一个内部基准电压或与 Vbe 相关）。
  3. 简化设计：工程师无需在外部为阵列中的每个或多个晶体管设计复杂的恒流偏置电路，只需一个外部电阻 RSET 即可为阵列提供精确、稳定的工作点。
  4. 稳定性提升：集成电阻与晶体管具有相近的温度系数和良好的匹配性，进一步提升了偏置点和电路整体性能的温度稳定性。
 

典型结构与配置（以四管阵列为例）

一个常见的预偏置 BJT 阵列包含 4 个 NPN 晶体管和内部偏置网络：

 
 
 
内部偏置电路 | V (恒流源 Ibias) | +----<基极 Q1 | +----<基极 Q2 | +----<基极 Q3 | +----<基极 Q4 | [RSET] (外部设置电阻) | GND/VEE
  • Q1, Q2, Q3, Q4：四个高度匹配的 NPN 晶体管。它们的发射极通常各自独立引出（E1, E2, E3, E4），集电极也通常独立引出（C1, C2, C3, C4），基极则通常连接在一起并由内部偏置网络提供恒定的基极电流 Ibias（或基极电压）。
  • 内部偏置电路：包含精密匹配的晶体管（构成电流镜）和电阻网络，用于生成精确的 Ibias。
  • RSET：关键的外部电阻。连接到指定的引脚（如 ISET, BIAS），用于设定 Ibias 的大小 Ibias ≈ Vref / RSET。选择稳定、低温漂的精密电阻至关重要。
  • 共用连接：基极通常内部并联并由偏置网络驱动，有时集电极或发射极也可能在内部有特定连接（取决于具体型号），但关键端口通常独立可访问以实现灵活应用。
 

核心应用领域：依赖匹配性与 ΔVbe 的精密电路

  1. 精密电压基准源（如带隙基准）：

    • 原理：利用匹配晶体管之间 Vbe 的差值 ΔVbe（具有正温度系数）与某个晶体管本身的 Vbe（具有负温度系数）进行加权求和，产生一个近乎零温度系数的稳定参考电压。
    • 阵列价值：阵列提供的超低 Vbe 失配和完美热跟踪，是精确产生所需的 ΔVbe 并实现低温度漂移（可达 ppm/°C 量级）的基础。预偏置简化了建立精确工作点的过程。

  2. 温度传感器：

    • 原理：利用 ΔVbe 与绝对温度 T 成正比（ΔVbe = (kT/q) * ln(N)，其中 N 是工作在不同电流密度 Jc 下的两个匹配晶体管的发射区面积比或电流比，k 是玻尔兹曼常数，q 是电子电荷）这一特性。测量 ΔVbe 即可直接得到温度 T。
    • 阵列价值：阵列提供了产生精确、可预测 ΔVbe (kT/q 量级，约 86μV/°C at 300K) 的理想平台，其低失配和热跟踪特性保证了测量精度和线性度。预偏置易于设置准确的电流比例（如 I 和 N*I）。

  3. 对数放大器和对数转换器：

    • 原理：利用 BJT 的 Vbe 与集电极电流 Ic 之间的对数关系 Vbe ≈ (kT/q) * ln(Ic/Is) (Is 是饱和电流)。
    • 阵列价值：需要高度匹配的晶体管对（一个用于输入信号，一个用于参考或补偿）。阵列的低失配保证了对数运算的精度。预偏置简化了参考电流的设置。

  4. 高精度运算放大器输入级：

    • 原理：输入差分对需要极高的对称性和匹配性，以降低输入失调电压和失调电流漂移。
    • 阵列价值：匹配晶体管阵列是实现超低失调（μV 级别）和低温漂输入级的首选方案。
 

设计考量与选型要点

  1. 匹配规格：重点关注 Vbe 匹配 (ΔVbe 或 Vos)、β 匹配、温漂系数规格。
  2. 预偏置配置：理解其内部结构（是提供基极电流还是基极电压？集电极/发射极连接方式？），明确 RSET 的计算方法和所需的 Vref 值或关系。
  3. 电流能力与电压范围：确认阵列中单个晶体管的最大集电极电流 Ic(max)、集电极-发射极击穿电压 Vceo、基极-发射极反向击穿电压 Vbeo 满足应用需求。
  4. 热管理：虽然热跟踪好，但大功耗仍会使芯片温升。考虑封装热阻和散热措施，尤其在高精度应用中。
  5. 外部元件选择：RSET 必须选用高精度、低温漂的电阻（如金属箔电阻、精密薄膜电阻）。旁路电容对电源引脚进行良好滤波也很关键。
  6. 数据手册：仔细研读器件手册中的典型应用电路、特性曲线（如 ΔVbe vs T）、绝对最大额定值和推荐工作条件。
 

总结

预偏置双极晶体管 (BJT) 阵列通过将匹配性极佳的双极晶体管对或组与精密集成的恒流偏置网络融为一体，为高性能模拟集成电路设计提供了无可比拟的优势。其卓越的参数匹配度（尤其是 Vbe）、完美的热跟踪能力和简化的外部电路设计，使其成为构建精密电压基准源、高线性度温度传感器、准确对数放大器以及其他依赖微小 ΔVbe 或高对称性晶体管对的关键应用中的基石元件。工程师在追求电路精度、稳定性和温度鲁棒性时，预偏置 BJT 阵列常常是实现设计目标不可或缺的选择。