10位40MSPS模數轉換器片內基準電壓源設計

設計了10位40MSPS的ADC片內面積小、高精度的基準電壓源，采用帶隙電壓源為基本結構，重點設計了一種新型的高增益、寬輸入范圍的CMOS運算放大器，以提高基準電壓源精度;并設計出兩組基準電壓RET與REB，及其差值為ADC的基準比較電壓，以進一步減小絕對誤差。采用Chart 0.35μm CMOS工藝參數進行了Hspice仿真，所設計的運算放大器增益為88dB，基準電壓源的隨電源電壓變化的偏差小于5mV，溫度系數小于10^-4/°C。經流片測試所設計的基準電壓源能很好地滿足ADC的要求。

關鍵詞:帶隙基準電壓;運算放大器;電源抑制;溫度系數;模數轉換器

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基本上與電源電壓變化、工藝參數變化及溫度無關。在高精度高速的數模轉換器中，一個精確的高電源抑制與溫度抑制的基準電壓的設計是至關重要的，其基準電壓源的精度直接影響到模數轉換器的精度。本文設計了一個小面積、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的模數轉換器的要求(根據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FLASHAD的工作原理，設計了由同一個帶隙電壓源的基礎上產生兩組基準電壓，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成:一部分為帶隙基準電壓源產生電路;另一部分為由帶隙基準電壓源產生兩組基準電壓。

1　帶隙基準電壓源電路設計

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、最低成本實現高性能的帶隙基準電壓源，所設計的電路如圖1所示。該電路按功能可分為帶隙電壓產生電路、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設計成一個倒比管以減小啟動電流。
帶隙電壓產生電路:主要由Q1、Q2、R1、R2、opamp及恒流源(M1、M2、)構成，根據理想運算放大器的特性及pn結的I/V特性有

V_BE1+I₁R₁=V_BE2 (1)

V_Tln(I₁/I_S1)+I₁R₁=V_Tln[(I₂+I₄)/I_S2] (2)

且因I₂=n₁I₁，I₄=n₂I₁;Q1、Q2的面積比設為n₃，I_S1/I_S2=n₃;故式(1)與(2)可簡化為

I₁=V_Tln[(n₁+n₂)n₃]/R₁ (3)

V_REF=I₂R₂+V_BE2=n₁V_Tln[(n₁+n₂)n₃]R₂/R₁+V_BE2 (4)

適當選擇n₁、n₂、n₃、R₁、R₂可設計出一個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V_BE構成為其在某一溫度下其溫度系數為零的基準電壓源。

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計的，故運算放大器的設計要求很高，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中運算放大器的設計
傳統的串聯反饋CMOS運算放大器的結構如圖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　串聯反饋電阻運算放大器

圖3　串聯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構(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=R_L//(r_O+R+R_S)A_V1=g_m1[R_L//(r_O+R+R_S)]/(1+g_m1R_S) (8)

上式中，R為M8與M9的等效電阻，顯然式(8)中的輸出阻抗[R_L//(r_O+R+R_S)]大于式(7)中的輸出阻抗R_L//(r_O+R_S)，即串聯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，其仿真結果分別如圖6與圖7所示，由圖7可以看出串聯了M8、M9的新型CMOS運算放大器的增益約為88dB;而串聯反饋電阻運算放大器增益大約為75dB(如圖6所示)。

圖6　串聯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的設計
在帶隙基準電壓源產生的基礎上，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計的，當V_ref(帶隙電壓源產生的電壓)為1.25V時，調節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V_ref1的電壓為3.5V，再通過調節電阻R6與R7的比值使V_ref2的電壓為1.5V。為了提高它們的驅動能力，設計了運算放大器op3與op4構成的跟隨器電路，得到了具有較高驅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
對所設計的帶隙電壓源進行Hspice仿真(采用Charted CMOS 0.35μm5V工藝)，結果表明: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小于10^-4/°C，仿真結果如圖9所示(本芯片的溫度范圍為-10～150°C，由圖9可知:在此溫度范圍內基準電壓變化小于110mV，即平均溫度系數為: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，其結果如圖12所示，結果表明:在工作電壓范圍內，基準電壓源的最大偏差為5mV。同樣測得REB的值，計算同一V_DD時RET-REB的值，可得其值恒定為2.0V，因此所設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定的比較電壓，能很好地滿足10位40MSPS的要求。

圖11　所設計芯處片及接口

圖12　RET隨V_DD變化的測試結果

6　結論
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，經測試所設計的基準電壓源能很好滿足ADC的要求。所設計的基準電壓源具有面積小、低溫度系數以及隨電源電壓變化的偏差小等特點。