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10位40MSPS模数转换器片内基准电压源设计

发布时间:2008/5/28 0:00:00 访问次数:405

  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。

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

  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。

图2 串联反馈电阻运算放大器

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)

 上式中,r为m8与m9的等效电阻,显然式(8)中的输出阻抗[rl//(ro+r+rs)]大于式(7)中的输出阻抗rl//(ro+rs),即串联m8、m9就相当于提高了输出电阻,进而提高了运算放大器的

  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。

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

  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。

图2 串联反馈电阻运算放大器

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)

 上式中,r为m8与m9的等效电阻,显然式(8)中的输出阻抗[rl//(ro+r+rs)]大于式(7)中的输出阻抗rl//(ro+rs),即串联m8、m9就相当于提高了输出电阻,进而提高了运算放大器的

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