14位Pipeline ADC設計的帶隙電壓基準源技術

目前，基準電壓源被廣泛應用與高精度比較器，A/D，D/A轉換器，動態隨機存儲器等集成電路中。基準電壓源是集成電路中一個重要的單元模塊。

它產生的基準電壓精度，溫度穩定性和抗噪聲干擾能力直接影響到芯片，甚至整個系統的性能。特別是在D/A，A/D數據轉換系統中，基準源的性能與量化器的量化精度密切相關。隨著D/A，A/D精度的不斷提高，精確穩定的基準源的設計成為關鍵。因此，設計一個高性能的基準電壓源是具有十分重要的意義。

1 分析電路設計及原理

1.1?傳統帶隙基準的分析

傳統的帶隙電壓基準結構中，通過具有正溫度系數的VT和一個具有負溫度系數電壓VBE的線性組合，在輸出端得到一個對溫度恒定的穩定輸出Vref。圖1是一個傳統的帶隙基準電壓源。但是在實際應用中，補償Vref中得不到補償的高階電壓分量是設計的關鍵。高階溫度系數主要來自于雙極晶體管的溫度特性。



經過整理得到：


根據上式可知在大部分工藝下，通過調節電路，一階系數項可以很容易消除。但是由于工藝參數r的值和由電阻引入的系數δ不能很好的抵消，使得高階電壓分量仍然存在。即C₂項不可能消除，導致溫度系數不能達到足夠低。



1.2?改進的高階補償帶隙基準源

為了得到溫度系數足夠低的帶隙基準源，高階溫度系數需要進一步補償，補償的方法如圖2所示的電路結構。在傳統的電路基礎上，加入補償電路結構：由于運放A₃的增益很大，運放強制Q₂和R₄的端電壓相等，則I₄=V_BE，Q₂／R₄，電流鏡使流過晶體管Q₃的電流：



從而在Q₂，Q₃的V_BE之間產生一個差值Tln T項。這個差值項通過運放gm₁，gm₂被引入到I_R1中來修正V_BE,_Q1中的高階項。



在圖2中，輸入端連接V₁，V₂和V₂，V₃的四輸入運放，其輸出端連接在一起，因此他們具有相同增益A1，各參數完全相同，即輸出阻抗也相同：



對于管子Q₁，Q₂，他們完全相同，所以他們的端電壓只和他們集電極流過電流相關。



令(常數B₁，B₂由電阻阻值，溫度系數和管子V_BE電壓控制；gm₁，gm₂是運放A₁的輸入端跨導，由輸入對管子的寬長比和靜態工作點決定)在實際設計中，通過調節gm₁，gm₂來調節降低高階項，調節R₄來消除一階項。最后進行反復優化可以獲得很好的溫度系數。

1.3?整體電路分析

這里提出的電路結構如圖3所示。系統由四個模塊組成：省功耗和偏置電路、運放、基準電壓輸出模塊和高階曲率補償。基準核心結構和高階曲率補償電路部分的工作原理在前面分析的改進帶隙基準中有重點講過。圖3左邊所示的功耗控制開關VC1，當VC1為低電平(0)時，M6導通，M4關閉，則M7柵極點電位為高，M7關閉，則M7支路電流為0，電流鏡M10，M11鏡像M7支路電流，導致差分放大器的尾電流為0，差分放大器沒有工作，整個電路都沒有工作，處于省功耗狀態；當VCl為高電平(3.3 V)時，M6關閉，M4導通，則M1到M6組成的偏置電路為M7柵極提供合適的偏置電壓。Cascode結構(M8，M9，M10，M11)的偏置是由電壓自偏置來實現的。同時M10，M11復制M7支路電流，M12，M13電壓自偏置，為尾電流源提供偏置電壓。該偏置電路提供一級折疊式共源共柵運放電路中所用的所有偏置電壓。在實際電路中，為了滿足匹配，偏置電路中管子的長度應該與運放中相應的管子長度相等。

運算放大器是帶隙電壓基準源電路中的關鍵部分之一，其環路增益和電路的失調決定了基準源輸出的精度和穩定性。為了增加電路的穩定性和降低電路的復雜度，在此盡量采用具有高增益的單級運放，而不采納二級補償運放。高增益的單級運放包括套筒式和折疊式運放兩種，由于運放連接反饋回路，套筒式運放因輸出擺幅太小而不使用，在此使用折疊式運放。

2 仿真結果分析

圖3所示電路用0.35μm BSIM 3v3 CMOS工藝，用Cadence Spectre軟件模擬得到以下的仿真結果。

2.1?基準輸出與電源電壓關系

圖4是基準輸出與電源電壓(0～3.3 V)關系曲線。仿真結果表明：這種帶隙基準電壓源結構在正常工作狀態下的最小電源電壓可達1.6 V，輸出基準電壓V_ref=(1.174 43±0.000 43 V)，在-40～+100℃范圍內，帶隙基準電壓源輸出電壓的溫度系數r_TC=2.077 ppm／℃。在25℃，3.3 V下，功耗不到110μW(電路總功耗為109.89μW)。在25℃，1.6 V下，功耗不到9μW(電路總功耗為8.453μW)。

對該帶隙電壓基準源仿真電源電壓抑制比(PSRR)，得到在3.3 V電源電壓下，室溫且沒有濾波電容時，在100 Hz下為-65 dB。要獲得更好的PSRR，可以通過在基準的輸出端加一濾波電容來提高PSRR。將Vref經過了一個RC低通濾波電路輸出，這樣可以改善輸出基準電壓的電源抑制能力，減小噪聲干擾，并且可以減小在電路上電時的基準電壓瞬態過沖。

2.2?基準輸出與溫度的關系

圖5是典型工藝角下經過高階曲率補償的基準電壓與溫度的關系曲線。由圖計算得到在典型(TT)工藝角下，電源電壓為3.3 V時，在-40～+100℃工作溫度范圍內，該基準電壓溫度系數為2.077 ppm／℃。在整個工作溫度范圍內，基準輸出電壓隨溫度變化不超過±0.15％。另外，由同種工作條件和模擬條件得到該基準在其他兩個工藝角溫度系數如表1所示。可見，該電路具有很好的溫度特性。



2.3 與參考文獻性能比較

與參考文獻性能比較如表2所示。



表2為本文設計電路與文獻[6]和文獻[7]中電路的模擬仿真結果比較。本文電路的供電電壓可以低至1.6 V，輸出電壓1.174 V．在-40～100℃時溫漂約為2ppm／℃，且功耗最高不超過110 μW。由此可見，本文設計電路具有低電壓低功耗和低溫漂的優點，綜合性能優異。

3 版圖設計

模擬電路的版圖設計中器件的匹配以及合理的布局布線對電路性能的影響很大。再考慮到要減小工藝失配的影響，需要對版圖進行精心設計。版圖設計注意以下幾點：

(1)運放的輸入管采用大的寬長比例，以減小運放的失調電壓，并且其晶體管的溝道要大于工藝最小溝長Lmin。

(2)電路中的關鍵器件PNP Bipolar晶體管，在實際電路設計中取Q1與Q2的面積比為8：1，然后采用中心對稱的設計方法，實現器件的匹配。

(3)集成電路中電阻誤差很大，采用電阻分級并聯方式，并在電阻周圍加上dummy電阻，以減少環境的影響，增強電阻匹配性。

4 結? 語

與其他許多高階曲率補償帶隙電路相比，本文提出的這種帶隙基準電壓源，具有低電壓低功耗和低溫漂的優點，且與標準CMOS工藝兼容，結構新穎，綜合性能優異，完全符合設計要求。可以很好地應用于高精度比較器、A／D和D／A轉換器等模擬集成電路中，該電壓源采用0.35μm CMOS工藝，Spectre仿真表明，在-40～100℃時，其溫度系數為2 ppm。這種帶隙基準可用于14位pipeline ADC中，應用前景廣泛。