10位40MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器片內(nèi)基準電壓源設(shè)計

　　在模擬集成電路中基準電壓源是一個非常重要的模塊，一個有效的基準電壓源應在一定的范圍內(nèi)基本上與電源電壓變化、工藝參數(shù)變化及溫度無關(guān)。在高精度高速的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，一個精確的高電源抑制與溫度抑制的基準電壓的設(shè)計是至關(guān)重要的，其基準電壓源的精度直接影響到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。本文設(shè)計了一個小面積、高精度、高電源抑制與溫度抑制的基準電壓源以滿足10位40MSPS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求(根據(jù)10位ADC的要求，基準電壓源的溫度誤差應小于1/210=1/1024=976×10-6)。

　　所設(shè)計的基準電壓源的工作電壓為5V，在本芯片中，采用了高精度的帶隙基準電壓源作為基本電壓源，另外根據(jù)FLASHAD的工作原理，設(shè)計了由同一個帶隙電壓源的基礎(chǔ)上產(chǎn)生兩組基準電壓，即RET(3.5V)和REB(1.5V)，在ADC中使用時則利用了其差值作為其比較電壓，進一步確保了基準電壓源的精度。在芯片中，基準電壓源電路主要由兩部分構(gòu)成:一部分為帶隙基準電壓源產(chǎn)生電路;另一部分為由帶隙基準電壓源產(chǎn)生兩組基準電壓。

　　1　帶隙基準電壓源電路設(shè)計

　　帶隙基準電壓源(band-gap)是基準電壓模塊的核心部分，為了以最小面積、最低成本實現(xiàn)高性能的帶隙基準電壓源，所設(shè)計的電路如圖1所示。該電路按功能可分為帶隙電壓產(chǎn)生電路、啟動電路以及PTAT電路。

　　圖1　帶隙基準電壓源

　　啟動電路:啟動電路由M5、M6、M7以及運算放大器的偏置電路構(gòu)成(如圖1所示)，當電路加上電壓時，M5的柵電位為0V，則M5導通，通過電流鏡M6與M7給M1、M3、M5提供電流，電路開始工作。在電路正常工作后，運算放大器的輸出，提高了M5的柵電位，從而使M5截止，啟動電路停止工作，并且M5設(shè)計成一個倒比管以減小啟動電流。

　　帶隙電壓產(chǎn)生電路:主要由Q1、Q2、R1、R2、opamp及恒流源(M1、M2、)構(gòu)成，根據(jù)理想運算放大器的特性及pn結(jié)的I/V特性有

　　VBE1+I1R1=VBE2 (1)

　　VTln(I1/IS1)+I1R1=VTln[(I2+I4)/IS2] (2)

　　且因I2=n1I1，I4=n2I1;Q1、Q2的面積比設(shè)為n3，IS1/IS2=n3;故式(1)與(2)可簡化為

　　I1=VTln[(n1+n2)n3]/R1 (3)

　　VREF=I2R2+VBE2=n1VTln[(n1+n2)n3]R2/R1+VBE2 (4)

　　適當選擇n1、n2、n3、R1、R2可設(shè)計出一個1.25V電壓的高精度基準電壓源。

　　PTAT電路:主要由M1、M2、M3、M4構(gòu)成的恒流源組成(如圖1所示)，它們的電流I1、I2、I4與絕對溫度成正比，即為PTAT電流;通過利用PTAT電流與負溫度系數(shù)VBE構(gòu)成為其在某一溫度下其溫度系數(shù)為零的基準電壓源。

　　由以上分析可知:帶隙電壓源是利用理想運算放大器的兩輸入端虛短設(shè)計的，故運算放大器的設(shè)計要求很高，最重要的指標是運算放大器的增益，增益越高則運算放大器越接近理想、誤差越小。本文設(shè)計了一個面積小、增益高、輸入范圍大的新型CMOS運算放大器。

　　2　band-gap中運算放大器的設(shè)計

　　傳統(tǒng)的串聯(lián)反饋CMOS運算放大器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。輸入級可利用圖3推導出

　　通過式(5)、式(7)可以看出其輸入范圍比傳統(tǒng)的不帶反饋的二級放大器大，而增益卻減小了。

　　即這種運算放大器的特點為大輸入范圍，但增益較小。

　　圖2　串聯(lián)反饋電阻運算放大器

　　圖3　串聯(lián)反饋電阻運算放大器等效電路圖

　　通過式(7)可知提高增益的一個有效辦法就是增大輸出電阻，但若直接串聯(lián)上電阻，由于電阻工藝誤差和寄生電容都比較大，會造成難以控制因素增多，而MOS管的工藝一致性比較好，為此提出了一種運算放大器的結(jié)構(gòu)(如圖4):主要是通過增加M8、M9來提高增益，從而以較小面積實現(xiàn)高增益運算放大器，即在第一級的輸出端增加了兩個MOS管M8、M9，這兩個MOS管的柵電壓相同，第一級的右半部分M2輸出通過M8的漏極輸入，M9的源極輸出，這兩個MOS管等效為一個電阻;同時M9起頻率補償作用，其近似等效電路如圖5所示，由此可得到

　　R1=RL//(rO+R+RS)AV1=gm1[RL//(rO+R+RS)]/(1+gm1RS) (8)

　　上式中，R為M8與M9的等效電阻，顯然式(8)中的輸出阻抗[RL//(rO+R+RS)]大于式(7)中的輸出阻抗RL//(rO+RS)，即串聯(lián)M8、M9就相當于提高了輸出電阻，進而提高了運算放大器的增益。

　　圖4　新型CMOS運算放大器

　　圖5　新型CMOS運算放大器等效電路

　　采用Chartered CMOS 0.35μm5V工藝庫對以上兩種運算放大器進行Hspice仿真，其仿真結(jié)果分別如圖6與圖7所示，由圖7可以看出串聯(lián)了M8、M9的新型CMOS運算放大器的增益約為88dB;而串聯(lián)反饋電阻運算放大器增益大約為75dB(如圖6所示)。

　　圖6　串聯(lián)反饋電阻運算放大器增益

　　圖7　新型CMOS運算放大器增益

　　3　基準電壓源RET、REB的設(shè)計

　　在帶隙基準電壓源產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，為了進一步減小基準電壓源對ADC性能的影響，在ADC芯片中還設(shè)計了基于同一帶隙基準電壓源的兩組基準電壓源RET與REB(如圖8所示)，利用其差值作為ADC的比較基準電壓，進一步減小帶隙電壓源絕對誤差的影響。

　　圖8　基準電壓源RET、REB產(chǎn)生電路原理框圖

　　該部分電路是運用運算放大器及其反饋的原理設(shè)計的，當Vref(

　　帶隙電壓源產(chǎn)生的電壓)為1.25V時，調(diào)節(jié)R4與R5之比使運算放大器op1的輸出電壓為3.5V，通過運算放大器op2的跟隨作用，得到Vref1的電壓為3.5V，再通過調(diào)節(jié)電阻R6與R7的比值使Vref2的電壓為1.5V。為了提高它們的驅(qū)動能力，設(shè)計了運算放大器op3與op4構(gòu)成的跟隨器電路，得到了具有較高驅(qū)動能力的電壓分別為3.5V與1.5V的兩組基準電壓源RET與REB。

　　4　基準電壓源的仿真

　　對所設(shè)計的帶隙電壓源進行Hspice仿真(采用Charted CMOS 0.35μm5V工藝)，結(jié)果表明:采用新型的CMOS運算放大器后此帶隙電壓源的平均溫度系數(shù)小于10-4/°C，仿真結(jié)果如圖9所示(本芯片的溫度范圍為-10～150°C，由圖9可知:在此溫度范圍內(nèi)基準電壓變化小于110mV，即平均溫度系數(shù)為:110mV/110°C=10-4/°C);基準電壓源隨電源電壓變化的最大偏差為5mV，仿真波形如圖10所示(本芯片的電壓工作范圍:4.75～5.25V)。

　　圖9　基準電壓對溫度的抑制

　　圖10　基準電壓的電源抑制

　　5　測試

　　對所設(shè)計的ADC芯片進行了流片，圖11為用于測試的芯片及其接口，其中間部分就是所設(shè)計的芯片。

　　對芯片進行了測試:改變工作電壓，對基準電壓的輸出端RET進行測試，其結(jié)果如圖12所示，結(jié)果表明:在工作電壓范圍內(nèi)，基準電壓源的最大偏差為5mV。同樣測得REB的值，計算同一VDD時RET-REB的值，可得其值恒定為2.0V，因此所設(shè)計的片上基準電壓源的電源抑制比高，而且RET-REB的差值恒定，為ADC中的比較器提供了穩(wěn)定的比較電壓，能很好地滿足10位40MSPS的要求。

　　圖11　所設(shè)計芯處片及接口

　　圖12　RET隨VDD變化的測試結(jié)果

　　6　結(jié)論

　　由于采用了新型的高增益CMOS運算放大器作為帶隙基準電壓源的運算放大器，從而大大提高了帶隙電壓源的精度，并且采用基準電壓的差值作為ADC中比較器的比較電壓，更進一步減小了誤差，經(jīng)測試所設(shè)計的基準電壓源能很好滿足ADC的要求。所設(shè)計的基準電壓源具有面積小、低溫度系數(shù)以及隨電源電壓變化的偏差小等特點。