摘要： 稳定、精密的参考电压和参考电流在pipeline ADC电路中不可或缺。尤其是系统工作在高速转换的情况下，设计这样的参考系统更成为电子工程师的挑战。本文通过系统的设计方法，详细地介绍了参考电压电流系统的设计流程。最后，测试的结果验证了本文描述的系统的精度以及设计方法的高效性。


简介

当前，许多通讯系统中需要高速、高分辨率的模数转换器。相比较其他结构的ADC，流水线结构（pipeline）的ADC具有速度和功耗优势。每一级量化器和余量增益放大器都需要精密的参考电压。尤其是在多级并带有很大电容负载的高分辨率ADC上，增加了参考电压的负载。因此对于高速、高分辨率的流水线ADC，精密的参考电压必须要有缓冲器来保证一定的精度和建立时间，对于高速系统，需要参考电压保持精度和速度的情况下对电容进行充放电，这对电路设计工程师来说是一个很大的挑战，这也是很多高速ADC一般都采用外部参考电压或参考电流的原因。本文着重于在此工作条件下参考电压和参考电流的设计，同时也贯穿了系统设计的方法。文章从设计目标到芯片测试，描述了整个设计流程。这种设计方法对模拟电路设计自动化也很有借鉴意义，尤其是对模拟电路的拓扑选择和产生。本文所描述的参考系统在实际的ADC电路中实现，测试结果显示电源抑制比和温度特性比较好，非常成功的集成在10bit采样率40MSPS的pipeline ADC中。

本文第二节描述系统的架构，第三节详细介绍系统的电路实现，第四节给出了测试结果，最后总结了本文的论述。

电路架构设计

整个电路系统设计是使pipeline ADC产生对工作电源电压、生产工艺和工作温度都不敏感的参考电压和电流。带隙基准源(Bandgap)是在CMOS工艺中常用的对温度不敏感的结构，系统中还需有电压电流转换电路(V/I converter)。一般流水线ADC需要正负两个参考电平，因此需要电平移位电路(Voltage shifter)产生所需的电压。为了保证高速高精度地对电容充放电，参考电压必须采用缓冲器来(Reference buffer)得到必需的精度和建立时间。最后还需要低通滤波器(LPF)来达到系统输出的低噪声。整个系统架构如图1所示。

图1 系统框图(略)

首先，带隙结构（模块1）产生一个基本的对电源电压、生产工艺和工作温度都不敏感参考电压，后面是一个低通滤波器（模块2），再通过电压电流转换电路得到参考电流（模块3），电平移位电路（模块4）用来产生所需要的电压，最后采用两个缓冲器（模块5）作为电压驱动。电压电流转换的最简单办法是采用电阻，但是由于芯片上的集成电阻的工艺偏差可以达到 20%，转而采用外部精密低温漂的电阻。

电路实现

模块1 - 带隙基准源

图2是CMOS工艺下带隙参考电压的电路图，主要是利用双极性晶体管基极、发射极的负温度系数和热电压（kT/q）的正温度系数进行工作。
整个电路的工作原理是：由于运算放大器具有很高的直流电压增益，使通过R1、R2的电压相同，通过的电流反比于电阻值的大小，因此E-B结的电压差就是：

公式(1)略

图2 带隙参考电压电路

VT 是热电压（kT/q， ~26 mV at 300 K），A1、A2分别是Q1、Q2发射极的面积。同时，这个电压也是通过R3的电压。
因此，通过R2上的电压是：

公式(2)略

由于R1、R2上的电压相同，所以

公式(3)略

从上面的推导可以看出，输出电压是由负温度系数的基极集电极电压和正温度系数的热电压决定的。如果选定合适的R2、R3的大小，就可以得到零温漂的电压输出。

高增益的运算放大器

从上面电路可以看出，带隙电路中最关键的是保证R1、R2上的电压相同，这也就要求电路中放大器要有很高的直流增益和较大的输出驱动能力，而对信号带宽并没有较高的要求。图3所示就是放大器的结构图。放大器具有两级结构，第一级保证具有较高的增益，第二极具有较大的驱动能力。

图3 带隙电路中的放大器(略)

直流增益为：

公式(4)略

其中，gm1是输入管M1的跨导，rom9是M9的输出阻抗，rout是输出节点的等效输出阻抗。因此为了得到较高的直流增益，就需要增加四个参数，尤其是增加M11的沟道长度。为了保证放大器的稳定性，在第一级输出上增加一个电容（Mc）。这个电容可以采用PMOS管，来节省面积和提高电源抑制比。

模块 2 - 低通滤波

为保证有高精度直流电压输出，有必要在输出端加入低通滤波器。由于对带宽没有严格要求，简单的RC滤波器就可以了。同样，为了节省面积，电容可以采用MOS管来实现。具体电路如图4。

图4 RC滤波电路(略)

模块 3 - 电压电流转换器

模块1产生的参考电压通过单位增益的缓冲器和外部精密的电阻就可以产生精密的电流源了。考虑到外部电阻很难估计的寄生电容、电感以及封装的影响，缓冲器应该以跟随器的形式来保证稳定。图5是电压电流转换的拓扑结构。缓冲器可以采用上文中所描述的电路来实现。

模块 4 -电平移位电路

图5 电压电路转换器（略）

Pipeline ADC需要两个不同大小的参考电压，因此就需要一个电平移位电路来实现，最简单的方法就是通过电阻分压来实现，具体的电路如图6。

图6 电压转换电路（略）

反馈电路的建立使节点N1跟随带隙电压，因此差分电压输出为：

公式(5)略

并且可以看到电压的大小是由电阻的比例决定的。在CMOS工艺中，电阻的比例可以很精确（可以达到0.1%）。放大器的选用同样可以采用上文所描述的电路。

模块 5- 低输出阻抗放大器

在高分辨率pipeline ADC中，多级电容使参考电压的容性负载很大。因此参考电压必须要有缓冲器做为驱动，并且缓冲器的输出阻抗要很小。具体电路如图7。

图7 缓冲器结构图（略）

这种结构使输出阻抗很低

直流增益为
其中gm2、gm4、gm6和gm8分别是MOS管M2、M4、M6和M8的跨导，gds6和gds7分别是MOS管M6和M7的小信号沟道跨导。由于这种电路结构具有比较宽的输入动态范围，因此可以适合Vrefp和Vrefn的输入。另外，板图设计由于电路的对称性，也可以进行设计复制。


整个系统

综上所述，整个系统电路如图8所示。

图8 系统电路图（略）


测试结果

整个电路系统作为pipeline ADC的一部分以单层poly、5层metal的DGO 、0.25um的CMOS工艺进行生产流片，整个芯片如图9所示，面积约为0.26 mm2。

图9 系统照片(略)

整个测量是系统工作在40MHz的情况下。输出电压并不随工作电压和工作温度改变。参考电流在采用外部精密电阻下，也得到比较稳定的输出。

表1：不同工作电压下的差分输出参考电压（略）

表2：不同温度情况下差分输出参考电压（略）

结束语

本文着重描述了适合高速ADC的参考电压和参考电流的产生系统，同时也描述了整个设计流程。设计方法和设计流程可以作为线路研发工程师的指导方针。测试结果证明这个参考电压和参考电流的产生系统可以为40MHz高速ADC提供高精度参考电压和电流源。