一種用于高速高精度ADC的電壓基準(zhǔn)源設(shè)計(jì)
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隨著集成電路規(guī)模不斷擴(kuò)大，尤其是芯片系統(tǒng)集成技術(shù)的提出，對模擬集成電路基本模塊(如A／D、D／A轉(zhuǎn)換器、濾波器以及鎖相環(huán)等電路)提出了更高的精度和速度要求，這也就意味著系統(tǒng)對其中的基準(zhǔn)源模塊提出了更高的要求。
用于高速高精度ADC的片內(nèi)電壓基準(zhǔn)源不僅要滿足ADC精度和采樣速率的要求，并應(yīng)具有較低的溫度系數(shù)和較高的電源抑制比，此外，隨著低功耗和便攜的要求，ADC也在朝著低壓方向發(fā)展，相應(yīng)的基準(zhǔn)源也要滿足低電源電壓的要求。
本文分析了基準(zhǔn)源對流水線ADC精度的影響，并建立了相應(yīng)的模型，確定了高速高精度ADC對電壓基準(zhǔn)源的性能要求。給出了基于1.8 V的低電源電壓，并采用結(jié)構(gòu)簡單的VBE非線性二階補(bǔ)償帶隙基準(zhǔn)源的核心電路，該補(bǔ)償方式可以實(shí)現(xiàn)較低的溫度系數(shù)，能滿足高速高精度ADC的要求。箝位運(yùn)放采用一種低噪聲兩級運(yùn)算放大器，該運(yùn)放可提供小于0.02 mV的失調(diào)電壓，因而保證了基準(zhǔn)源的補(bǔ)償精度。為了提高基準(zhǔn)源的電源抑制比，本文除采用常用的共源共柵電流鏡技術(shù)以外，還設(shè)計(jì)了一種簡單有效的電源抑制比提高電路，從而使得基準(zhǔn)源的電源抑制比有了較大提高。
1 電壓基準(zhǔn)源影響的建模分析
在Pipelined ADC系統(tǒng)中，基準(zhǔn)源的主要作用是為子ADC提供比較電平，同時(shí)為MDAC提供殘差電壓。差分基準(zhǔn)電壓源發(fā)生偏移會導(dǎo)致子ADC比較電平和MDAC殘差電壓發(fā)生變化。而通過引入冗余位矯正技術(shù)可大大減小差分基準(zhǔn)電壓源所引起的比較電平變化對系統(tǒng)指標(biāo)造成的影響，但是，MDAC殘差電壓變化的影響卻無法消除，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移特性曲線仍將會發(fā)生變化，從而造成系統(tǒng)指標(biāo)下降。其中基準(zhǔn)電壓源的偏移主要來源于溫度和電源電壓的影響。
下面分析基準(zhǔn)電壓源溫度漂移特性對DNL的影響。一般情況下，實(shí)際相鄰輸出與理想相鄰輸出之間的偏差可以表示為：
對于首級精度為3.5位的12位ADC，在-40℃～85℃的溫度范圍內(nèi)，對溫度要求最嚴(yán)格的比較器一般要求基準(zhǔn)電壓源的最大溫漂不超過(7／8)Vdiff。
根據(jù)下列兩式：
可以得到DNL對基準(zhǔn)電壓源溫度系數(shù)的要求，即溫度系數(shù)TC≤6.84 ppm／℃。式中，VT0為室溫25℃時(shí)的基準(zhǔn)電壓值。
2電壓基準(zhǔn)源電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 二階曲率補(bǔ)償技術(shù)
由前文分析可知，12位ADC系統(tǒng)要求溫度系數(shù)應(yīng)小于6.84ppm／K才能達(dá)到12位精度。傳統(tǒng)帶隙基準(zhǔn)源很難達(dá)到這個(gè)要求，因此，本文選用一種如圖1所示的二階曲率補(bǔ)償?shù)碾妷夯鶞?zhǔn)源結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，根據(jù)VBE的溫度關(guān)系式：
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