基準(zhǔn)電壓源在DAC電路中占有舉足輕重的地位，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響著DAC輸出的精度和穩(wěn)定性。而溫度的變化,、電源電壓的波動(dòng)和制造工藝的偏差都會(huì)影響基準(zhǔn)電壓的特性。本文針對(duì)如何設(shè)計(jì)一個(gè)低溫度系數(shù)和高電源電壓抑制比的基準(zhǔn)電壓源作了詳細(xì)分析,。

        從DAC電路的實(shí)際工作環(huán)境考慮,，電源電壓的變化范圍是1.6V~2.0V ，溫度變化范圍是-20℃~100℃,。本帶隙基準(zhǔn)電壓源的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：1. 輸出的基準(zhǔn)電壓在1.22V左右,；2. 電源抑制比為100dB,；3. 基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)小于10ppm/℃。
　　
        帶隙基準(zhǔn)電壓源的原理

        帶隙基準(zhǔn)電壓源的基本原理是：利用雙極性晶體管的基極-發(fā)射極電壓V_BE(具有負(fù)溫度系數(shù))與它們的差值V_BE(具有正溫度系數(shù))進(jìn)行相互補(bǔ)償,，從

而達(dá)到電路的溫度系數(shù)為零的目的,。

        圖1 帶隙基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生原理圖         

        圖2  基準(zhǔn)電壓源電路

        如圖1所示，其運(yùn)算放大器的作用是當(dāng)電路處于深度負(fù)反饋的情況下,，使X,、Y 兩點(diǎn)的電壓相等。此時(shí)若R₁=R₂,，則I₁=I₂,，并滿足：
       
        V_BE1=V_BE2+I₂R₃                      (1)                   

        I₁=I₂=(1/R₃)(V_BE1-V_BE2)=(1/R₃)V_Tlnn  (2)

        V_OUT=V_BE1+I₁R₁=V_BE1+(R₁/R₃)V_Tlnn     (3)

        V_OUT即可作為基準(zhǔn)電壓。從(3)式可知,，基準(zhǔn)電壓只與PN結(jié)的正向壓降,、電阻的比值以及Q₁和Q₂的發(fā)射區(qū)面積比有關(guān)，而與輸入電壓無關(guān),，所以,，在實(shí)際的工藝制作中將會(huì)有很高的精度。第一項(xiàng)V_BE1具有負(fù)的溫度系數(shù),，在室溫時(shí)大約為-2mV/℃,；第二項(xiàng)V_T具有正的溫度系數(shù)，在室溫時(shí)大約為+0.085mV/℃,，通過設(shè)定合適的工作點(diǎn),，可以使兩項(xiàng)之和在某一溫度下達(dá)到零溫度系數(shù)，從而得到具有較好溫度特性的基準(zhǔn)電壓,。適當(dāng)選取R₁,、R₃和n的值，即可得到具有零溫度系數(shù)的輸出電壓V_OUT,。
　　
        電路設(shè)計(jì)

        以圖1所示的電路原理為基礎(chǔ),，設(shè)計(jì)出基準(zhǔn)電壓源電路，如圖2所示,。電路主要由三部分組成：使能信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、偏置電路,、帶隙基準(zhǔn)電壓VREF產(chǎn)生電路,。通過對(duì)每一部分結(jié)構(gòu)、工作原理的介紹,，可知圖2所示電路既能解決驅(qū)動(dòng)不夠的問題,，又能靈活調(diào)節(jié)它的溫度系數(shù)，可達(dá)到高電源抑制比和低溫度系數(shù)的性能,。

        使能信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路

         此電路由圖2所示的三級(jí)反向器構(gòu)成,。PD為電路的使能信號(hào),，輸出A₁₀、A₉用來做BIAS和V_REF的使能控制,。

        使能信號(hào)的加入,，可以降低功耗。當(dāng)外部的數(shù)字信號(hào)還沒有送入轉(zhuǎn)換電路時(shí),，PD使能信號(hào)使基準(zhǔn)電壓電路處于待機(jī)狀態(tài),，從而降低了功耗：當(dāng)外部的數(shù)字信號(hào)送入轉(zhuǎn)換電路時(shí)，PD使能信號(hào)使基準(zhǔn)電壓電路工作,。

        為了達(dá)到較大的驅(qū)動(dòng)能力,，可以使PD信號(hào)通過由M_k1,M_K2,M_K3,M_h1,M_h2,M_h3組成的反向器，如圖2所示,，反向器的管子寬長比逐級(jí)增大,，驅(qū)動(dòng)能力逐級(jí)提高，輸出A₁₀,、A₉可以有效地驅(qū)動(dòng)BIAS和V_REF的使能管,，解決了因版圖中走線過長或后端電路管子存在寄生電容而導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)不夠的問題。

        偏置電路

  偏置電路用來給基準(zhǔn)電壓電路的運(yùn)放提供偏置,，如圖3所示,。

                      圖3 偏置電路             

圖4 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

        在圖3電路中，M_K,、M_H,、M_F、M₄,、M₅,、M₇為開關(guān)管，M₃,、M₆,、M_S1~M_S6構(gòu)成啟動(dòng)電路，M_C1~M_C6可建立起穩(wěn)定的偏置電流,。

        當(dāng)A₁₀=0時(shí),，開關(guān)管M_K、M_F ,、M₅導(dǎo)通,，M_H、M₄,、M₇關(guān)斷,，偏置電路不工作，A₈=1；當(dāng)A₁₀=1時(shí),，開關(guān)管M_H,、M₄ 、M₇導(dǎo)通,，M_K,、M_F、M₅關(guān)斷,，偏置電路正常工作,。

        PMOS管M_S1~M_S6是電阻管，上電后 M₆導(dǎo)通,，A₈被拉為低電平,，M_C1~M_C6導(dǎo)通，電源電流從M_C1流經(jīng)M_C3,、M_C5到地,，N₁變?yōu)楦唠娖剑?M₃管打開，N₂拉低,，M₆管關(guān)斷,。經(jīng)過一段時(shí)間后，M_C1~M_C6建立起穩(wěn)定的偏置電流,，啟動(dòng)電路停止工作,。

        M_C1~M_C6和R可以產(chǎn)生一個(gè)與電源無關(guān)的電流，M_C1,、M_C2兩支路的電流通過M_C5,、M_C6、R來設(shè)定,。本質(zhì)上講,，I₁被自舉到I₂，即I₁=I₂,。
       
        V_GS5=V_GS6+I₂R                              (4)
      
        (5)

        從式(5)可看出,，電流與電源電壓無關(guān)，而與M_C5,、M_C6的寬長比和電阻的值有關(guān),，調(diào)整這些值，可以方便地得到需要的偏置電流,。

        基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

        圖2所示為V_REF模塊,，其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

        該電路通過R_D0,、C₁濾掉了電源線上的高頻噪聲，使得基準(zhǔn)電壓V_REF更加穩(wěn)定,。

         圖4與圖1比較,，可知圖4主結(jié)構(gòu)中增加了一個(gè)電阻R₀,，如何調(diào)節(jié)電阻使V_REF對(duì)溫度的依賴減小，可以通過式(6)~(11)說明：

          I₁R₁=I₂R₂                                       (6)

          V_BE1=V_BE2+I₂R₃        &nbs

p;                (7)

        I="I"₁+I₂                                             (8)

        V_OUT=V_BE1+I₁R₁+IR₀                (9)
 
        把式(6)~(8)帶入(9),，得到：

        V_OUT=V_BE1+AV_T                        (10)
       
        (11)

        在式(10)中,，第一項(xiàng)_VBE1具有負(fù)的溫度系數(shù)，第二項(xiàng)VT具有正的溫度系數(shù),，適當(dāng)選取R₀,、R₁、R₂,、R₃的值,，改變A的大小，便可以使兩項(xiàng)之和在室溫下達(dá)到零溫度系數(shù),。比較(3)式,，因?yàn)榭烧{(diào)變量增加，調(diào)節(jié)的范圍變大,，則在室溫下V_OUT對(duì)溫度的依賴為0,。

        運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)

        在基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路中，要求運(yùn)算放大器的增益越大越好,，同時(shí)保證其相位裕度在60o以上,，電路如圖5所示。

圖5 運(yùn)算放大器電路

圖6  V_REF隨溫度變化的特性曲線

圖7 基準(zhǔn)電壓隨電源電壓的變化曲線

        在圖5中,，M_K,、M_H、M_F,、M_E,、M_D為開關(guān)管，由使能信號(hào)A₁₀控制,，A₁₀=1時(shí),，運(yùn)算放大器正常工作。M_B,、M_C是用MOS管做的電容,，用作裕度補(bǔ)償。同等面積情況下,，MOS電容可比多晶硅電容的值大很多,，極大地節(jié)省了面積。

            該放大器采用兩級(jí)推挽輸出,，一是可以得到很高的增益,；二是可以得到較大的輸出擺幅。M₀通過A₈將偏置電路中與電源無關(guān)的電流鏡像到M₀支路，可以通過調(diào)整偏置電路中的電流來改變運(yùn)算放大器的偏置點(diǎn)和功耗,。

        電路仿真結(jié)果

        本設(shè)計(jì)采用0.18μm  CSMC-HJ  N阱CMOS工藝模型庫,，并應(yīng)用Hspice軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真。

        溫度特性

        電源電壓固定在1.8V,，對(duì)電路進(jìn)行-20℃~100℃的溫度掃描,，仿真結(jié)果如圖6所示。

        從圖6中可看出,，V_REF的最大和最小值分別是1.2265V和1.2256V,，在27℃時(shí)，基準(zhǔn)電壓是1.2265V,。V_R

EF的溫度系數(shù)TC_F可以用下式來衡量：

         (12)

        如圖6所示,，基準(zhǔn)電壓隨溫度的改變而改變，但變化幅度很小,，從式(12)可知,，TC_F<10ppm/℃，滿足DAC電路對(duì)基準(zhǔn)電壓的要求,。

        電源抑制特性

        對(duì)電路進(jìn)行電源電壓的DC掃描,，通過Hspice仿真得到的波形如圖7所示。

        圖7是坐標(biāo)放大圖,，從圖中可看出,，電源電壓在1.6V~2.0V變化時(shí)，基準(zhǔn)電壓從1.2264855V僅變化至1.2264875V,。

        基準(zhǔn)電壓的電源抑制特性可用PSRR來衡量,，PSRR計(jì)算如下：

         =153300=103.7dB                       (13)

        可見，基準(zhǔn)電壓對(duì)電源的抑制性能非常好,，幾乎不隨電源電壓改變,。