高精度電流導(dǎo)引型ADC電流源偏置電路設(shè)計(jì)
2004年9月A版
摘 要:設(shè)計(jì)了一種為高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供偏置的參考電流源。經(jīng)過流片測試結(jié)果表明,該偏置電路能夠很好的工作于所設(shè)計(jì)的高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
關(guān)鍵詞:帶隙;偏置;數(shù)模轉(zhuǎn)換器
概述
電流源矩陣型數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用數(shù)字信號來控制電流模式的開關(guān)電路,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字到模擬信號的轉(zhuǎn)換。在CMOS工藝中,很容易實(shí)現(xiàn)開關(guān)電流源,并且具有突出的優(yōu)點(diǎn):速度快、占用芯片面積小、不需要無源器件。但是,由于工藝參數(shù),外界溫度變化,電源的波動(dòng)等影響,用于提供偏置、受外界干擾較低的高精度參考電流源在CMOS工藝中卻很難實(shí)現(xiàn),本文采用帶隙電壓源的方法實(shí)現(xiàn)了一種為高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供偏置的參考電流源?;舅枷胧鞘褂冒雽?dǎo)體硅能帶帶隙特有的溫度特性,產(chǎn)生一個(gè)受外界溫度影響較小的恒定電壓,然后通過一個(gè)外接高精度電阻產(chǎn)生受溫度影響較小的偏置電流源。該電流源用于筆者設(shè)計(jì)的12位高速電流模式模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得成功。
電流源偏置電路設(shè)計(jì)
電流源偏置電路分為兩部分,第一部分是一個(gè)恒定電壓源產(chǎn)生電路,利用硅的禁帶特性得到的一個(gè)和外界溫度以及供電電源無關(guān)的恒定電壓。第二部分將該電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號并利用多級電流鏡轉(zhuǎn)換成數(shù)模轉(zhuǎn)換器電流源矩陣的偏置電流。
帶隙電壓源
圖1示出帶隙參考源的基本電路。輸出電壓:
(1)
其中k和q是與溫度無關(guān)的常數(shù)。
在常溫下dVBE/dT≈-1.5mV/K,所以將VREF對溫度T求導(dǎo),并令其值為零,通過選擇合適n值,就可以確定R2/R1的值,由于該式中電阻都是以比值(相對值)的形式出現(xiàn)的,所以能夠保證其精確度。然而,上面的計(jì)算值只能得到一個(gè)比較粗略的值,具體使用時(shí),還需要根據(jù)不同的器件模型使用仿真器進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。實(shí)際的仿真結(jié)果輸出電壓的溫度系數(shù)在0℃~100℃溫度范圍內(nèi)小于50ppm。值得一提的是,VBE對溫度的關(guān)系可以更為精確的表示為:
+VBE(Tr)
這樣對VREF的微分一定含有溫度的二次項(xiàng),上面的電路只對其一次溫度系數(shù)進(jìn)行了補(bǔ)償。如果對其進(jìn)行更高次數(shù)的溫度系數(shù)補(bǔ)償,將得到更高精度參考電壓源,但在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中很難進(jìn)行二次溫度系數(shù)的補(bǔ)償,并且將增加不少設(shè)計(jì)復(fù)雜度。鑒于用于所設(shè)計(jì)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器其精度已經(jīng)足夠,所以沒有進(jìn)行二次溫度系數(shù)的補(bǔ)償。另外圖中Q4,M7,M8,M9等管子組成一個(gè)基極電流補(bǔ)償電路,用來補(bǔ)償Q1B和Q2B基極電流的損失(射極電流和集電極電流差值)。MSP,MSN,MS組成一個(gè)啟動(dòng)電路,防止M1~M6管子組成的自偏置電流鏡工作在電流全部為零的不正常工作點(diǎn)。
電流源偏置電路
如圖2所示,VREF是由帶隙參考源產(chǎn)生的參考電壓信號,它的大小為1.227V,該電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器,NMOS管和可調(diào)節(jié)的外接電阻RADJ轉(zhuǎn)換為固定的電流IREF,該電流值可以通過調(diào)節(jié)RADJ的大小來改變。后面產(chǎn)生的為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供的偏置電流就是該電流通過一系列電流鏡的作用產(chǎn)生的。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電流源采用了共源共柵結(jié)構(gòu),所以該偏置電路的電流鏡同樣采用共源共柵結(jié)構(gòu),并且為了提高電流源的過驅(qū)動(dòng)電壓,將MP2的源極接到MP1的柵極,為之提供偏置電壓。而共源共柵管MP2的偏置電壓是由另一支路MP7,MN3,MN4來提供。同樣MN7,MP5,MP6支路和MN6,MP3,MP4支路分別為電流鏡中的NMOS管提供偏置電壓。最后由NM8的漏極出來的電流就是我們得到的參考電流。為了給模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電流源提供偏置,還需要一級電流鏡來將NMOS漏極出來的電流轉(zhuǎn)換成進(jìn)入PMOS管漏極的電流。來承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)的是MB1和MB2管,同樣采用了共源共柵結(jié)構(gòu)。由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電流源數(shù)目非常的大,所以為了獲得良好的電流比率,該電流鏡的管子采用16個(gè)與前面電流鏡管子寬長比相同的管子并聯(lián),并且,這16個(gè)管子將分散于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電流源矩陣中,以減少長距離導(dǎo)線的寄生電阻壓降的影響。管子MN10,MN11為外部電流源的輸入提供了一個(gè)接口,通過該接口可以直接由外部電流來提供模數(shù)轉(zhuǎn)換器電流源的電流偏置。
結(jié)語
電路使用Chartered 0.35mm 2P4M 混合信號工藝庫在Hspice仿真器下仿真得到良好的結(jié)果。具體指標(biāo)參見表1,列舉了電流源偏置電路和帶隙參考電壓源的主要性能指標(biāo)。圖3是該偏置電路電流隨溫度變化曲線的仿真圖。
該電路用于筆者所設(shè)計(jì)的12位高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器的偏置電路,通過兩次流片所得測試結(jié)果表明,該偏置電路可以很好的工作于所設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器,達(dá)到了設(shè)計(jì)所需的要求。
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