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位MSPS模数转换器片内基准电压源设计
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10 位 40MSPS 模数转换器片内基准电压源设计
作者:吴建辉,袁文师
关键词:基准电压源,模数转换器,运算放大器
摘要: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)。
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计
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)
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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
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图3 串联反馈电阻运算放大器等效
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