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(多图) 10位40MSPS模数转换器片内基准电压源设计

来源:电子信息设计网/作者:吴建辉?? 袁文师?? 2007年12月19日 ?? 收藏0

  在模拟集成电路中基准电压源是一个非常重要的模块,一个有效的基准电压源应在一定的范围内基本上与电源电压变

化、工艺参数变化及温度无关。在高精度高速的数模转换器中,一个精确的高电源抑制与温度抑制的基准电压的设计是至关重要的,其基准电压源的精度直接影响到模数转换器的精度。本文设计了一个小面积、高精度、高电源抑制与温度抑制的基准电压源以满足10位40MSPS的模数转换器的要求(根据10位ADC的要求,基准电压源的温度误差应小于1/210=1/1024=976×10-6)。

  所设计的基准电压源的工作电压为5V,在本芯片中,采用了高精度的带隙基准电压源作为基本电压源,另外根据FLASHAD的工作原理,设计了由同一个带隙电压源的基础上产生两组基准电压,即RET(3.5V)和REB(1.5V),在ADC中使用时则利用了其差值作为其比较电压,进一步确保了基准电压源的精度。在芯片中,基准电压源电路主要由两部分构成:一部分为带隙基准电压源产生电路;另一部分为由带隙基准电压源产生两组基准电压。

  1 带隙基准电压源电路设

  带隙基准电压源(band-gap)是基准电压模块的核心部分,为了以最小面积、最低成本实现高性能的带隙基准电压源,所设计的电路如图1所示。该电路按功能可分为带隙电压产生电路、启动电路以及PTAT电路。

带隙基准电压源

图1 带隙基准电压源

  启动电路:启动电路由M5、M6、M7以及运算放大器的偏置电路构成(如图1所示),当电路加上电压时,M5的栅电位为0V,则M5导通,通过电流镜M6与M7给M1、M3、M5提供电流,电路开始工作。在电路正常工作后,运算放大器的输出,提高了M5的栅电位,从而使M5截止,启动电路停止工作,并且M5设计成一个倒比管以减小启动电流。

  带隙电压产生电路:主要由Q1、Q2、R1、R2、opamp及恒流源(M1、M2、)构成,根据理想运算放大器的特性及pn结的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的面积比设为n3,IS1/IS2=n3;故式(1)与(2)可简化为

  I1=VTln[(n1+n2)n3]/R1??? (3)

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

  适当选择n1、n2、n3、R1、R2可设计出一个1.25V电压的高精度基准电压源。

  PTAT电路:主要由M1、M2、M3、M4构成的恒流源组成(如图1所示),它们的电流I1、I2、I4与绝对温度成正比,即为PTAT电流;通过利用PTAT电流与负温度系数VBE构成为其在某一温度下其温度系数为零的基准电压源。

  由以上分析可知:带隙电压源是利用理想运算放大器的两输入端虚短设计的,故运算放大器的设计要求很高,最重要的指标是运算放大器的增益,增益越高则运算放大器越接近理想、误差越小。本文设计了一个面积小、增益高、输入范围大的新型CMOS运算放大器。

  2 band-gap中运算放大器的设计

  传统的串联反馈CMOS运算放大器的结构如图2所示。输入级可利用图3推导出

公式

  通过式(5)、式(7)可以看出其输入范围比传统的不带反馈的二级放大器大,而增益却减小了。

  即这种运算放大器的特点为大输入范围,但增益较小。

串联反馈电阻运算放大器

图2 串联反馈电阻运算放大器

串联反馈电阻运算放大器等效电路图

图3 串联反馈电阻运算放大器等效电路图

  通过式(7)可知提高增益的一个有效办法就是增大输出电阻,但若直接串联上电阻,由于电阻工艺误差和寄生电容都比较大,会造成难以控制因素增多,而MOS管的工艺一致性比较好,为此提出了一种运算放大器的结构(如图4):主要是通过增加M8、M9来提高增益,从而以较小面积实现高增益运算放大器,即在第一级的输出端增加了两个MOS管M8、M9,这两个MOS管的栅电压相同,第一级的右半部分M2输出通过M8的漏极输入,M9的源极输出,这两个MOS管等效为一个电阻;同时M9起频率补偿作用,其近似等效电路如图5所示,由此可得到

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


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带隙基准电压? 温度系数? 模数转换?

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