高精度電流導引型ADC電流源偏置電路設(shè)計

2004年9月A版

摘  要：設(shè)計了一種為高精度數(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，從而實現(xiàn)數(shù)字到模擬信號的轉(zhuǎn)換。在CMOS工藝中，很容易實現(xiàn)開關(guān)電流源，并且具有突出的優(yōu)點: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工藝中卻很難實現(xiàn)，本文采用帶隙電壓源的方法實現(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。基本思想是使用半導體硅能帶帶隙特有的溫度特性，產(chǎn)生一個受外界溫度影響較小的恒定電壓，然后通過一個外接高精度電阻產(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

　　電流源偏置電路分為兩部分，第一部分是一個恒定電壓源產(chǎn)生電路，利用硅的禁帶特性得到的一個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，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，上面的計算值只能得到一個比較粗略的值，具體使用時，還需要根據(jù)不同的器件模型使用仿真器進行準確的仿真。實際的仿真結(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，上面的電路只對其一次溫度系數(shù)進行了補償。如果對其進行更高次數(shù)的溫度系數(shù)補償，將得到更高精度參考電壓源，但在標準CMOS工藝中很難進行二次溫度系數(shù)的補償，并且將增加不少設(shè)計復雜度。鑒于用于所設(shè)計12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器其精度已經(jīng)足夠，所以沒有進行二次溫度系數(shù)的補償。另外圖中Q4，M7，M8，M9等管子組成一個基極電流補償電路，用來補償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組成一個啟動電路，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。

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)換成進入PMOS管漏極的電流。來承擔這項任務(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個與前面電流鏡管子寬長比相同的管子并聯(lián)，并且，這16個管子將分散于模數(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。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)計的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，達到了設(shè)計所需的要求。