一种用于D／A转换电路的带隙基准电压源的设计

ｊ　卜　：　§　曩至　≤・　｝　一电子科技大学微固学院秦玲　深圳艾科创新微电子有限公司刘敬波　ｍ　ｒｊ　；　卜　一　》穗　一种用于Ｄ／Ａ转换电路的　带隙基准电压源的设计　＝　摘　要：本文介绍了带隙基准电压源的原理，实现了一个高精度的带隙基准电压源电路。此电路在一２Ｏ℃－ＩＯ０￣Ｃ　Ｊ　矗　ｊ　的温度范围内，有效温度系数为６．１ｐｐｍ／＇Ｃ　电源电压在１．６Ｖ－２．０Ｖ变化时，其电源抑制比为１０３．７ｄＢ。　毫一　关键词：带隙；温度系数；基准电压　＞　：　ｆ＼　；一　．　基准电压源在ＤＡＣ电路中占　左右；２．电源抑制比为１００ｄＢ；３．基　时若Ｒ．＝Ｒ，，则Ｉ１＝Ｉ，，并满足：　有举足轻重的地位，其设计的好坏　准电压的温度系数小于１０ｐｐｍ／￣Ｃ。　ＶＢＥ１＝ＶＢＥ２＋Ｉ２Ｒ３　（１）　砖　：　直接影响着ＤＡＣ输出的精度和稳　定性。而温度的变化、电源电压的　波动和制造工艺的偏差都会影响基　Ｉ１＝Ｉ２＝（１／Ｒ３）（Ｖ日Ｅ１一ＶＢｍ）：（１／Ｒ３）ＶＴｌｎｎ（２）　带隙基准电压源的原理　带隙基准电压源的基本原理　Ｖｏｔｒｒ＝Ｖ　ＢＥｌ＋ＩｌＲｌ：Ｖ　ＢＥｌ＋（Ｒｌ／Ｒ３）Ｖｒｌｎｎ（３）　Ｖ。Ｕ１即可作为基准电压。从（３）　１　；　准电压的特性。本文针对如何设计　是：利用双极性晶体管的基极一发射　式可知，基准电压只与ＰＮ结的正向　一一ｊ算一　ｒ，　；　个低温度系数和高电源电压抑制　极电压Ｖ　（具有负温度系数）与它　压降、电阻的比值以及Ｑ　和Ｑ，的发　、　比的基准电压源作了详细分析。　石　们的差值Ｖ　（具有正温度系数）进　射区面积比有关，而与输入电压无　从ＤＡＣ电路的实际工作环境　行相互补偿，从而达到电路的温度　关，所以，在实际的工艺制作中将　　考虑，电源电压的变化范围是　系数为零的目的。会有很高的精度。第一项Ｖ　具有　’　§　‘　ｔ　．　１．６Ｖ～２．０Ｖ，温度变化范围是一２０＂Ｃ　－如图１所示，其运算放大器的　负的温度系数，在室温时大约为一　Ｃ；第二项Ｖ　具有正的温度系　１００＂Ｃ。本带隙基准电压源的设计　作用是当电路处于深度负反馈的情　２ｍＶ／＇０８５ｍＶ／＇Ｃ，　指标为：１．输出的基准电压在Ｉ．２２Ｖ　况下，使ｘ、Ｙ两点的电压相等。此　数，在室温时大约为＋０．２００６．５电字设计匝用ｗｗｗ．ｅａｗ．ｃｏｌｌ１．ｃｎ　维普资讯 http://www.cqvip.com

通过设定合适的工作点，可以使两　路工作。　项之和在某一温度下达到零温度系　为了达到较大的驱动能力，可　Ｐ　Ｄ　信号通过Ｍ　，～Ｍ　和Ｒ可以产生一个与　电源无关的电流，Ｍ　，、Ｍ　：两支路　数，从而得到具有较好温度特性的　以使由　的电流通过Ｍ　、Ｍ　、Ｒ来设定。本　　，即１１＝１　。　基准电压。适当选取Ｒ　、Ｒ　和ｎ的　Ｍ　ｋｌ＇Ｍ　Ｋ’１Ｍ　Ｍｈｌ，Ｍｈ２，Ｍｈ３组成的反向　质上讲，Ｉ，被自举到Ｉ值，即可得到具有零温度系数的输　器，如图２所示，反向器的管子宽长　ＶＧｓ５＝、，Ｇｓ６＋Ｉ２Ｒ　出电压Ｖ。ＵＴ。　（４）　比逐级增大，驱动能力逐级提高，输　出Ａ　Ａ。可以有效地驱动ＢＩＡＳ和　Ｉ　＝　２Ｃ。　Ｗ／Ｌ　Ｒ（　）　面　１（１一　４Ｋ）　（５）　电路设计　Ｖ　的使能管，解决了因版图中走　从式（５）可看出，电流与电源电　以图１所示的电路原理为基　线过长或后端电路管子存在寄生电　压无关，而与Ｍ　、Ｍ　的宽长比和　础，设计出基准电压源电路，如图　容而导致的驱动不够的问题。　２所示。电路主要由三部分组成：使　能信号驱动电路、偏置电路、带隙　电阻的值有关，调整这些值，可以　方便地得到需要的偏置电流。　基准电压产生电路　偏置电路　偏置电路用来给基准电压电路　基准电压ＶＲＥ　产生电路。通过对每　的运放提供偏置，如图３所示。　一图２所示为ＶＲＥＦ模块，其具体　部分结构、工作原理的介绍，可　　在图３电路中，Ｍ　、Ｍ　、Ｍ　、　结构如图４所示。该电路通过ＲＤ。、Ｃ，滤掉了电源　知图２所示电路既能解决驱动不够　Ｍ４、Ｍ５、Ｍ７为开关管，Ｍ３、Ｍ６、　的问题，又能灵活调节它的温度系　Ｍ　，～Ｍ　构成启动电路，Ｍｃｌ－Ｍ　可　线上的高频噪声，使得基准电压　数，可达到高电源抑制比和低温度　建立起稳定的偏置电流。　系数的性能。　使能信号驱动电路　此电路由图２所示的三级反向　ＶＲ　更加稳定。　图４与图１比较，可知图４主结　当Ａ，。＝０时，开关管Ｍ　Ｍ　、　Ｍ　导通，Ｍ　、Ｍ　、Ｍ　关断，偏置　构中增加了一个电阻　，如何调节　Ｅ　对温度的依赖减小，可　电路不工作，Ａ　＝１；当Ａ，。：１时，开　电阻使ＶＲ器构成。ＰＤ为电路的使能信号，输　关管ＭＨ、Ｍ　、Ｍ７导通，Ｍ　、ＭＦ、　出Ａ，。、Ａ　用来做ＢＩＡＳ和ＶＲＥ　的使　Ｍ　关断，偏置电路正常工作。　以通过式（６）～（１　１）说明：　ＩＩＲｌ＝　Ｉ２Ｒ２　（６）　能控制。　ＰＭＯＳ管Ｍ　，～Ｍ　是电阻管，上　ＶＢＥ１＝ＶＢＥ２＋Ｉ２Ｒ３　Ｉ＝Ｉｌ＋Ｉ２　（７）　（８）　（９）　　使能信号的加入，可以降低功　电后Ｍ　导通，Ａ　被拉为低电平，Ｒｌ＋ＩＲ０　～Ｍ　导通，电源电流从Ｍ　，流经　ＶｏＵＴ＝ＶＢＥ１＋ＩＩ耗。当外部的数字信号还没有送人　Ｍ　，转换电路时，ＰＤ使能信号使基准电　Ｍ　３、Ｍ　到地，Ｎ，变为高电平，Ｍ　把式（６）～（８）带人（９），得到：　压电路处于待机状态，从而降低了　管打开，Ｎ，拉低，Ｍ　管关断。经过　ＶｏＵＴ＝ＶＢＥ１＋ＡＶＴ　（１０）　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｗｏｒｌｄ－ＮｉｋｋｅｉＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｈｉｎａ　维普资讯 http://www.cqvip.com

■　一　≯。　～一；√　≯～　－　一　０　０　一誊毒。　大，则在室温下Ｖ。ＵＴ对温度的依赖　为０。　运算放大器的设计　在基准电压产生电路中，要求　运算放大器的增益越大越好，同时　保证其相位裕度在６０。以上，电路如　图５所示。　在图５中，ＭＫ、ＭＨ、ＭＦ、Ｍ　Ｍ。为开关管，由使能信号Ａ　。控制，　Ａ．　＝１时，运算放大器正常工作。　Ｍ　Ｍ　是用ＭＯＳ管做的电容，用　作裕度补偿。同等面积情况下，　ＭＯＳ电容可比多晶硅电容的值大很　多，极大地节省了面积。　该放大器采用两级推挽输出，　一是可以得到很高的增益；二是可　以得到较大的输出摆幅。Ｍ。通过Ａ　将偏置电路中与电源无关的电流镜　像到Ｍ　支路，可以通过调整偏置电　路中的电流来改变运算放大器的偏　置点和功耗。　电路仿真结果　本设计采用０．１　８　ｍ　ＣＳＭＣ—ＨＪ　Ｎ阱ＣＭＯＳ工艺模型库，并应用　Ｈｓｐｉｃｅ软件对电路进行仿真。　温度特性　电源电压固定在１．８Ｖ，对电路　进行－２０ＸＥ－ＩＯ０＂Ｃ的温度扫描，仿真　结果如图６所示。　从图６中可看出，ＶＲＥ　的最大和　最小值分别是１．２２６５Ｖ和１．２２５６Ｖ，　如图６所示，基准电压随温度　时，基准电压从１．２２６４８５５Ｖ仅变化　２２６４８７５Ｖ。　的改变而改变，但变化幅度很小，　至１．在２７℃时，基准电压是１．２２６５Ｖ。　从式（１２）可知，ＴＣ　＜ｌＯｐｐｍ／ＸＳ，满　ＶＲＥ　的温度系数ＴＣ　可以用下式来　足ＤＡＣ电路对基准电压的要求。　衡量：　基准电压的电源抑制特性可用　ＰＳＲＲ来衡量，ＰＳＲＲ计算如下：　ＰＳＲＲ…ＡＶＤＤ／ＶＤＤ　ＲＥＦ　＝电源抑制特性　：！　０．００２ｍＶ／１．２２６４８７５Ｖ　ＴＣ　Ｆ＝　１．２２６５－１．２２５６：——二　ｖＲ卧　×——　×　：　对电路进行电源电压的ＤＣ扫　描，通过Ｈｓｐｉｃｅ仿真得到的波形如　图７所示。　Ｔｍ　一Ｔｍ。　一：６．１ｐｐｒＩｌ／０ｃ　一　１５３３００＝１０３．７ｄＢ　（１３）　可见，基准电压对电源的抑制　１．２２６５　１Ｏ０一ｆ一２ｏ１　图７是坐标放大图，从图中可　性能非常好，几乎不随电源电压改　（１２）　看出，电源电压在１．６Ｖ～２．ＯＶ变化　变。一　２００６．５电字设计应用ｗｗｗ．ｅａｗ．ｃｏｍ．ｃｎ