用于Pipeline ADC的參考電壓 和參考電流的電路系統(tǒng)

簡介

當(dāng)前，許多通訊系統(tǒng)中需要高速、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。相比較其他結(jié)構(gòu)的adc，流水線結(jié)構(gòu)（pipeline）的adc具有速度和功耗優(yōu)勢。每一級量化器和余量增益放大器都需要精密的參考電壓。尤其是在多級并帶有很大電容負(fù)載的高分辨率adc上，增加了參考電壓的負(fù)載。因此對于高速、高分辨率的流水線adc，精密的參考電壓必須要有緩沖器來保證一定的精度和建立時間，對于高速系統(tǒng)，需要參考電壓保持精度和速度的情況下對電容進(jìn)行充放電，這對電路設(shè)計工程師來說是一個很大的挑戰(zhàn)，這也是很多高速adc一般都采用外部參考電壓或參考電流的原因。本文著重于在此工作條件下參考電壓和參考電流的設(shè)計，同時也貫穿了系統(tǒng)設(shè)計的方法。文章從設(shè)計目標(biāo)到芯片測試，描述了整個設(shè)計流程。這種設(shè)計方法對模擬電路設(shè)計自動化也很有借鑒意義，尤其是對模擬電路的拓?fù)溥x擇和產(chǎn)生。本文所描述的參考系統(tǒng)在實際的adc電路中實現(xiàn)，測試結(jié)果顯示電源抑制比和溫度特性比較好，非常成功的集成在10bit采樣率40msps的pipeline adc中。

本文第二節(jié)描述系統(tǒng)的架構(gòu)，第三節(jié)詳細(xì)介紹系統(tǒng)的電路實現(xiàn)，第四節(jié)給出了測試結(jié)果，最后總結(jié)了本文的論述。

電路架構(gòu)設(shè)計

整個電路系統(tǒng)設(shè)計是使pipeline adc產(chǎn)生對工作電源電壓、生產(chǎn)工藝和工作溫度都不敏感的參考電壓和電流。帶隙基準(zhǔn)源(bandgap)是在cmos工藝中常用的對溫度不敏感的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中還需有電壓電流轉(zhuǎn)換電路(v/i converter)。一般流水線adc需要正負(fù)兩個參考電平，因此需要電平移位電路(voltage shifter)產(chǎn)生所需的電壓。為了保證高速高精度地對電容充放電，參考電壓必須采用緩沖器來(reference buffer)得到必需的精度和建立時間。最后還需要低通濾波器(lpf)來達(dá)到系統(tǒng)輸出的低噪聲。整個系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

首先，帶隙結(jié)構(gòu)（模塊1）產(chǎn)生一個基本的對電源電壓、生產(chǎn)工藝和工作溫度都不敏感參考電壓，后面是一個低通濾波器（模塊2），再通過電壓電流轉(zhuǎn)換電路得到參考電流（模塊3），電平移位電路（模塊4）用來產(chǎn)生所需要的電壓，最后采用兩個緩沖器（模塊5）作為電壓驅(qū)動。電壓電流轉(zhuǎn)換的最簡單辦法是采用電阻，但是由于芯片上的集成電阻的工藝偏差可以達(dá)到 20%，轉(zhuǎn)而采用外部精密低溫漂的電阻。

電路實現(xiàn)

模塊1 - 帶隙基準(zhǔn)源

圖2是cmos工藝下帶隙參考電壓的電路圖，主要是利用雙極性晶體管基極、發(fā)射極的負(fù)溫度系數(shù)和熱電壓（kt/q）的正溫度系數(shù)進(jìn)行工作。
整個電路的工作原理是：由于運算放大器具有很高的直流電壓增益，使通過r1、r2的電壓相同，通過的電流反比于電阻值的大小，因此e-b結(jié)的電壓差就是：

vt 是熱電壓（kt/q， ~26 mv at 300 k），a1、a2分別是q1、q2發(fā)射極的面積。同時，這個電壓也是通過r3的電壓。
因此，通過r2上的電壓是：

由于r1、r2上的電壓相同，所以

從上面的推導(dǎo)可以看出，輸出電壓是由負(fù)溫度系數(shù)的基極集電極電壓和正溫度系數(shù)的熱電壓決定的。如果選定合適的r2、r3的大小，就可以得到零溫漂的電壓輸出。

高增益的運算放大器

從上面電路可以看出，帶隙電路中最關(guān)鍵的是保證r1、r2上的電壓相同，這也就要求電路中放大器要有很高的直流增益和較大的輸出驅(qū)動能力，而對信號帶寬并沒有較高的要求。圖3所示就是放大器的結(jié)構(gòu)圖。放大器具有兩級結(jié)構(gòu)，第一級保證具有較高的增益，第二極具有較大的驅(qū)動能力。

直流增益為：

其中，gm1是輸入管m1的跨導(dǎo)，rom9是m9的輸出阻抗，rout是輸出節(jié)點的等效輸出阻抗。因此為了得到較高的直流增益，就需要增加四個參數(shù)，尤其是增加m11的溝道長度。為了保證放大器的穩(wěn)定性，在第一級輸出上增加一個電容（mc）。這個電容可以采用pmos管，來節(jié)省面積和提高電源抑制比。

模塊 2 - 低通濾波

為保證有高精度直流電壓輸出，有必要在輸出端加入低通濾波器。由于對帶寬沒有嚴(yán)格要求，簡單的rc濾波器就可以了。同樣，為了節(jié)省面積，電容可以采用mos管來實現(xiàn)。具體電路如圖4。

模塊 3 - 電壓電流轉(zhuǎn)換器

模塊1產(chǎn)生的參考電壓通過單位增益的緩沖器和外部精密的電阻就可以產(chǎn)生精密的電流源了?？紤]到外部電阻很難估計的寄生電容、電感以及封裝的影響，緩沖器應(yīng)該以跟隨器的形式來保證穩(wěn)定。圖5是電壓電流轉(zhuǎn)換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。緩沖器可以采用上文中所描述的電路來實現(xiàn)。