种用于模数转换器的高性能差分参考电压源

第26卷第11期 2005年11月 半导体学报 CHINESEJoURNALOFSEMICONDUCTORS V01．26No．1l Nov．，2005 一种用于模数转换器的高性能差分参考电压源 李 丹 叶菁华 洪志良 (复旦大学专用集成电路与系统国家重点宴验室，上海200433) 摘要：介绍了一种可直接应用于模数转换器的低功耗、高性能差分参考电压源．它采用新型结构的带隙基准源产 生高精度温度补偿的参考电流，参考电流通过跨导缓冲器直接转换成所需的差分参考电压．该差分电压精度高，温 漂小、抗干扰能力强．电路选用TsMco．18弘mcMOs工艺实现，芯片面积为250pm×350”m．经测量，电路功耗为 o．9mw，输出差分参考电压的平均温度系数为9．5×10_6K． 关键词：带隙基准源；差分参考电压；温度补偿 EEACC：1230B；7250E 中图分粪号：TN43 文献标识码：A 文章编号：0253—4177f2005)】卜224806 引言 参考电压源在集成电路中的应用非常广泛，包 括射频(RF)、数／模转换(DAc)、模／数转换(ADc) 以及闪存(flashmemory)在内的大量模拟、混合信 号以及存储器数字接口电路中都会被使用到，并会 影响这些电路的性能““]．例如在ADC器件中，参 考电压是作为其数据转换时的基准电压，它的精度 和稳定性会直接影响ADc的静态线性度和动态范 围．随着移动通信技术的迅速发展，对ADc等电路 的要求越来越高，所以对参考源的精度、温度的稳定 性以及抗噪声能力等性能指标也提出了更高的要 求．此外，由于差分结构相对单端结构有很多优势， 现在包括ADc在内的大量电路都需要用到差分参 考电压源． 文献[1～5]提出了几种具有温度补偿的参考电 压源电路结构，但它们都只能输出单端参考电压，需 要通过转换电路实现单端到差分的转换，在转换过 程中会引入器件失配、差模误差和共模误差等诸多 非理想因素，影响差分电压的实际精度．文献[6]提 出的转换电路虽然可以提高差分电压的精度，但结 构复杂，硬件开销很大． 本文针对差分ADc的需要，介绍了一种新型 的参考电压源．这种结构直接产生所需的高性能的 差分参考电压，参考电压对地线和电源线上的干扰 2005一04—16收到，z0050727定稿 均有很强的抑制能力．和文献[6]的结构相比，它的 结构简单、功耗低、输出电压的精度和稳定性可以满 足ADC的要求． 2差分参考电压源的体系结构 新型差分参考电压源的体系结构如图1所示， 由带隙基准源和输出跨导缓冲器组成．和传统带隙 基准源不同，这种结构应用的带隙源包括电压／电流 转换和电流累加这两部分，输出的是温度补偿的参 考电流．首先，带隙源将热电压n和结电压VBE分 别转化为正温度系数电流IrTc和负温度系数电流 I。，。，然后通过这两类电流的累加抵消温度系数的 影响，产生与温度无关(constanttoabsolutetem— perature)的参考电流kTAT． 输出缓冲器采用全差分结构，由跨导放大器和 共模反馈网络(cMFB)组成．外部参考电压y。。。通 过共模反馈网络控制输出共模电平(VjUt。)．输出 的差模电平由参考电流ktm和电阻风，R。以及缓 冲器的差模输入电平决定： V1NP—VouTN=IcTATRl(1) VouTP—yINN=IcT^TR。 (2) VREF—VouTPVoL】TN =kTAT(R1+Ro)(¨NP—VINN) (3) @20。5中国电子学会 万方数据 第ll期 李丹等： 一种用于模数转换器的高性能差分参考电压源 三t俞III涟一Bandg叩必叫!卜 ——：■×’ ’K。， 带隙基准源 ! 输出跨导缓冲器 负载 圈1差分参考电挂源结构 Fig．1Archltectureo{referenceVoItagegeneratorwjthdtⅡerentialoutputs 将跨导放大器的跨导增益c■和缓冲器的等效负载 阻抗z。代人(3)式可得： 1yREF—JcTAT(R1+Ro)(1一j与)(4) uh厶L 参考源差分输出电压的设计值为I。m(R．+R。)， 可以根据模数转换器的需要灵活确定．其中电阻 R。，R。的电阻绝对误差和温度系数不会影响Jctnt (R。+R0)的值．其原因会在本文第三部分详细介 绍．电压源的实际输出电压V。与设计值的偏差受 输出缓冲器跨导增益及其负载的影响，由(4)式可 知，输出缓冲器的跨导增益越大，y。。与设计值的偏 差越小． 开关电容类型的ADc不仅需要精确的参考电 压，还需要输出缓冲器提供足够的驱动能力．这是由 于在AI)c的数据保持过程中需要由参考电压输出 缓冲器对余量放大器提供足够的驱动电流，缓冲器 的驱动能力会直接影响余量放大器的建立精度“]． 所以AI)C的精度和速度越高，对缓冲器驱动能力 的要求也越高． 上述介绍的这种电压源结构，由于带隙基准源 输出的是参考电流，可以通过电阻和一个全差分输 出缓冲器很方便地转化成所需的差分参考电压，不 再需要像传统结构那样进行电平转移和多个缓冲器 驱动，其共模电平和差分电平的精度和抗干扰能力 都有了显著的提高，功耗也有所下降．其中电流输出 带隙基准源以及高跨导强驱动能力输出缓冲器的设 计将在下文中详细介绍． 3电路实现 3．1带隙基准源 本文设计的电流输出型带隙基准源电路如图2 所示，它通过电压转换产生正温度系数电流，m和 负温度系数电流fwTc，通过电流累加产生与温度无 关的参考电流I。。。。． 圪I “2 图2 电流型带隙基准源温度补偿网络 Fig．2Circuito“heband-gapcorewithcurrentcurva— turecompensatlon (1)正温度系数电流Jm 由于MOs管MO～M7构成了自偏置回路， M6，M7的源极电压近似相等，电阻R。上的电压等 于Qo，Q。的结电压差(△VB￡)．△VBE与热电压V’成 正比[“，并由电阻R。转化为电流，。(m，n分别是流 过Q。，Q．的电流比值和。l，Q0的发射区有效面积 比值)： ·卜訾=掣㈣ J。具有正温度系数．M14，M15通过电流K，倍镜像 得到正温度系数参考电流IeTc： jPTc—K1J1 (6) 万方数据 2250 半导体学报 第26卷 (2)负温度系数电流I。Tc MOS管M7，M8的栅极电压vA由结电压v。。 和M7的栅源电压K。一决定，电阻R。上的压降vB 又受电压vA和电阻R。控制．所以Vne对巩有箝位 作用，合理选择R。的阻值可使VB等于v。．流过 R3的电流I：近似等于V“／R，具有负温度系数． M12，M13通过电流K。倍镜像得到负温度系数参 考电流J—Tc： JNTc—K2J2 (7) (3)温度无关的参考电流Jct—t 温度无关的参考电流J。。nt是通过IPTc和J。，。 累加得到的．由式(5)～(7)可得参考源输出电压的 设计值为： ，cT。。(尺，+R。)一!生—妻旦K。v，ln(，柳)+ ^Z 堕享星K。v。。 (8) 』Ⅵ 设计值仅受电阻的相对精度影响．另外，由于R，～ R。采用相同的电阻类型，它们的温度系数相同，电 阻比值不随温度变化．所以电压设计值的温度系数 仅由kt^T决定，不受电阻的影响．由于IPTc具有正 温度系数，JNTc具有负温度系数，合理选择电流镜像 倍数K。，Kz可以抵消这两类电流的温度系数，使 ，c，一t在选定的温度点上温度系数为零： 等=K。警×竿+K。击×等一o (9) 整个带隙基准源电路中多次用到了电流镜结 构，为了改善电流源管的匹配性，提高K，，K。的精 度，所有的电流源全部采用长沟道级联MOS管实 现． 3．2输出缓冲器 为了保证输出差分参考电压的精度，输出缓冲 器需要有很高的跨导增益和足够的驱动能力．本文 设计了一种二级放大的输出缓冲器，结构如图3所 示．第一级是高跨导放大器，满足缓冲器对跨导的要 求；第二级是一个电流放大器，将跨导放大器的输出 电流放大了K倍，满足缓冲器对驱动能力的要求， 同时又将缓冲器的跨导增益G。提高了K倍： G，一KG。 (10) 结合(4)式可以发现，除了跨导增益外，缓冲器的负 载阻抗zL也会影响其输出的差分电压．在缓冲器 的两个输出端接退耦电容cd可以减小负载zL的 虚部，有效地减小输入端交流噪声对输出的影响．退 耦电容不会影响ZL的实部，所以不会降低输出直 流电平的精度． 图3输出缓冲器原理图 F19．3TopoIogyofoutputbuffe。 缓冲器输出的差分参考电压是直接送人ADc 的，它实际所需的跨导增益和驱动能力要根据ADc 的精度和速度要求而定．ADc是通过开关电容对参 考电压进行采样的，由采样频率^和采样电容c。 可以得到缓冲器负载ZL的实部R。： RL一志 Ⅲ) 缓冲器输出的直流参考电压误差应小于ADc1／2 个LsB所对应的电压值．将此电压以及(11)式代人 (4)式可得出缓冲器需要的跨导增益．缓冲器所需的 最大驱动电流I。。等于差分输出参考电压和等效电 阻R。的比值． 图4是输出缓冲器的电路图，第一级跨导放大 器的单端输出电流I叫n送人第二级的电流放大器， 经MP2～MP3，MN4～MN5的自偏回路转换成差 分输出电流．差分电流由MP4，MN6实现电流放 大．自偏回路的另一个好处在于，放大管MP4，MN5 的输入端是低阻节点，缓冲器的主极点在输出端，所 以输出端连接的退耦电容不会影响缓冲器的环路稳 定性．输出电压由电阻Rt。得到的输出共模电平 Vrou¨”，它通过共模反馈网络被箝位在输人参考电 平V；。u的电位上． 4仿真测试及结果分析 本电路用Cadencespectre进行仿真，采用 TsMcO．18扯m1P4McMOs工艺实现，芯片面积 为250p“×350pm，图5为芯片照片．电路功耗为 O．9mw．差分参考电压对电源线和地线噪声的抑制 万方数据 第1l期 李丹等： 一种用于模数转换器的高性能差分参考电压源 l√叫 L嚷 ％町fM——入d岁隳M““一‘ 一一。、 lLlMN6 专 跨导放大器 电流放大器 i共模反馈 图4输出缓冲器电路图 F19．4Clrcult。fou‘putbuffer 比如图6所示．由于差分输出端的电流管MP4， MN6(见图4)均工作在饱和区，它们的等效电阻很 大，可以有效衰减电源线和地线上的噪声．输出参考 电压对地线噪声的抑制比(△v唧／△v蛾)和对电源 噪声的抑制比(△VREF／△V叻)在低频处均为70dB左 右，地线和电源线上的高频噪声可以通过退藕电容 cd得到进一步的衰减．图6为输出参考电压随等效 负载电阻的变化的仿真波形，在差分电压精度偏差 小于8mV(ADc1／2个LsB所对应的电压值)的条 件下，电路可驱动的最小等效负载电阻约为14kn． I墨|5芯片版图 Fig．5Layout 图7是使用AgllcnL34401A测量输出差分参 考电压实际温度漂移情况与仿真波形的比较．由(9) 式可知，利用带隙基准源进行温度补偿的参考源结 构对双极型晶体管工艺模型的精度非常敏感．此外， 由于流过2个双极型晶体管Q0，Q。的电流与电阻 Rz的绝对阻值相关，结电压V。。的电位由该电流决 定．虽然Vee的电压绝对值偏差相对于输出参考电 一10 号一50 一90 舢 鲁一60 lO l旷 10‘ 107 10u Ffea，Hz 图6输出参考电压对地线和电源噪声的抑制 F19．6△VR盯／△V聃＆△vKEF／△VDD TcmoeratLl心，℃ 图7差分输出电压的温度曲线 Fig7 Temperaturecurveofdlfferentia【。uoputv01t age 压而言影响很小，但vBE的温度系数偏差对于输出 电压的温度系数的影响却很显著，在o～looEc的环 境下VBE每升高1mV输出电压的平均温度系数约 增大37×10“K．基于以上两点原因，本次实测的 差分输出参考源输出电压温度系数和仿真结果相比 万方数据 2252 半导体学报 第26卷 偏大，为9．5×10_6K．可以在下一次流片中对R2 进行微调以减小输出电压的温漂． J 00 099 > 1097 r 095 093 。( Ar20K99843】n11B：r578359K99043m1Delta：r—142164K一800125m1Slo出：562．818n O lO RL／kn 制．在电源电压为3．3v的条件下，输出参考电压值 可以在0～3V的范围内根据需要任意选取．如公式 (8)所示，输出电压的精度由电阻间的相对精度决 定，不受电阻绝对精度的影响． 本文分别从理论和电路结构的角度对其工作原 理进行了介绍说明．经测试，输出电压的温度补偿特 性由于受工艺偏差的影响，和仿真结果有一些差距， 平均温度系数为9．5×lo“K，其精度以及驱动能 力已达到了模数转换器的实际要求．电路功耗为 O．9mW 图8输出参考电压随等效负载电阻的变化 参考文献 Fig．8VREFVersllsRL 采用本参考电压源差分输出作为参考电压的模 数转换器，经测试其积分线性度(INI。)为o．3LsB， 微分线性度为0．2LSB，7MHz模数转换速度以内无 杂散动态范围(sFDR)始终保持在50dB以上，以上 指标均满足设计要求．由此可见，参考电压源的输出 缓冲电路也满足设计要求，在ADc要求的转换速 度下能够提供足够的驱动能力保证差分输出参考电 压的精度． 5结论 本文设计了一种新型高精度差分参考电压源， 其输出电压值由带隙基准源输出的温度补偿电流和 电阻决定．这种结构摆脱了硅元素对输出参考电压 的束缚，可以通过改变电阻实现对输出电压值的控 ZhuZhangnll“g，Ya“gYLntang，LluLl⋯1，e【a1．S“perper— formanccCMOSballd98pvoltagerefcre一．C¨neseJ⋯nal ofseml∞nduct。坫，2004．25(5)：542(inchlnesc)[朱樟明．杨 银堂，刘帘曦，等、一种高性能cMOs带隙电压基罹振设计． 半导体学报，2004，25(5)：叫2] SongBS，GrayPR．Aprec吼oncurvat"coml)ensated CMosband93preference．IEEEJ so㈨stateclrcults，1983， Sc_18634 L㈣qCY，I一㈨qKNDeslgnofa1．5Vhlgh。rd叭urva— t雌compensatcdCMoSband98preferenceClrcu【taⅡdSys teⅢ，2004，1：48 B。n1AOP_amp5andstart“pcircultsforCMOSband93pref ⋯c曲州如ne8rl—VstTppIy．JEEEJSoj埘S强托C⋯I¨， 2002，3711339 BuckAE，McD。na【dC1，ACMoSbandgaprefeⅢl㈣lth ou【resLstorsIE功!JS01】dStateCi⋯【ts，2002，37：81 Nlcoll¨1iG，sende娜LcznACMoSbandB8preferencef。r dlffercnnalslgn剞proces咖gIEEEJ铀【Lds“儿eclrcults， 1 991．26．41 万方数据 第11期 李丹等：一种用于模数转换器的高性能差分参考电压源 2253 AHighPerformanceDifferentialReferenceVoltageGeneratorUsedinADC LiDan，YeJj“ghua，andHongZhiliang (SfⅡfdK。，L4^o础￡o叫o，Asfc口"d曲s￡mF“幽月哳㈨l材，Shn曲di200433，c^⋯) Abst聃ct：Adifferentialreferencev01tagegeneratorwith10wpowerc()nsumptionandgoodperformance，whlchisusedinADC， lsintroduced．Thehighperformancetempe蛆ture-compensatedreferencecurrentisgeneratedwlthanewstructurebandgap，and thecurrentisconvertedtotheneededreferencedirectlythroughthetransconductorbuffer．Thed珊erentlalvoltagehashighpre cislon，lowtemperature-drift，andgoodantioammingability．ThecircuitisrealizedwiththeTsMcO．18pmcM()sprocessand t11edieareais250pm×350卜m．Thechlphasheentested．Thepowerconsm“ptionis0．9mWandtheaveragetemperaturecoeffi— cientoftheoutputdifkrentialreferencevoltageis9．5×106K1． Keywords：bandgapreference；differentialrefcrencevoltag。；temperaturecompensation EEACC：1230B；7250E ArticIeID：0253—4177(2005)11224806 R—lved16Apr|l2005，revisedmanuscriptreceived27Julyz005 @2005ChineseInstltuteofElectronics 万方数据 一种用于模数转换器的高性能差分参考电压源 作者： 李丹， 叶菁华， 洪志良， Li Dan， Ye Jinghua， Hong Zhiliang 作者单位： 复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室,上海,200433 刊名： 半导体学报 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORS 年，卷(期)： 2005，26(11) 被引用次数： 1次 参考文献(6条) 1.朱樟明.杨银堂.刘帘曦 一种高性能CMOS带隙电压基准源设计[期刊论文]-半导体学报 2004(05) 2.Song B S.Gray P R A precision curvature-compensated CMOS bandgap reference 1983 3.Leunq C Y.Leunq K N Design of a 1.5-V high-order curvature-compensated CMOS bandgap reference 2004 4.Boni A Op-amps and startup circuits for CMOS bandgap references with near 1-V supply 2002 5.Buck A E.McDonald C L A CMOS bandgap reference without resistors 2002 6.Nicollini G.Senderowicz D A CMOS bandgap reference for differential signal processing 1991 引证文献(1条) 1.应建华.王洁.陈嘉 低功耗高抗噪性差分基准电压源的设计[期刊论文]-半导体技术 2007(10) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_bdtxb200511037.aspx 授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：5dda49d0-637a-43a4-a7e7-9e3000e973af 下载时间：2010年11月16日