种用于模数转换器的高性能差分参考电压源

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1、万方数据第26卷第11期2005年11月半导体学报CHINESEJoURNALOFSEMICONDUCTORSV01．26No．1lNov．，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×35

2、0”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

3、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

4、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I

5、rTc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

6、。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

7、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

8、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