Design Of A Low Power, High Psrr Differential Voltage Reference

集成电路设计与开发 Design and Development of IC

低功耗高抗噪性差分基准电压源的设计 应建华 , 王洁 , 陈嘉 ( 华中科技大学 电子科学与技术系 , 武汉 430074)

摘要 : 提出了一种新颖的差分放大器拓扑结构 , 适用于单片集成模数转换器中的差分电压基 准源 。该结构经过电压 、电流两级放大 , 实现了高开环增益和大电流驱动能力 。本设计在德国 XFAB 公司的 0135 μm CMOS 工艺上实现 , 芯片实测结果为 : 在 313 V 电源电压下 , 该基准源的抗 噪性为 120 dB @80 MHz , 增益误差小于 2 mV , 功耗仅为 111 mW , 具有低功耗 、高精度和高抗噪 性能 。 关键词 : 差分基准电压源 ; 两管带隙结构 ; 高抗噪性 中图分类号 : TN402 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 10032353X ( 2007) 1020000204

Design of a Low Power High PSRR Differential Voltage Reference YINGJian2hua , WANGJie , CHEN Jia ( Department of Electronic Science and Technology , Huazhong University of Science & Technology , Wuhan 430074 , China)

Abstract : A novel structure of differential amplifier topology was proposed , which was used in the differential voltage reference in standalone integrated ADC. By the benefit from two amplified stages , voltage stage and current stage , high open2loop gain and good drive ability were obtaimed. The differential voltage reference was implemented in XFAB 0135μm CMOS process. The measured PSRR power supply rejection ratio is 120 dB at 80 MHz , the gain error is less than 2 mV , and the power consumption is 111 mW at 313 V power supply. Key words : differential voltage reference ; two2transistor bandgap structure ; high PSRR

1 　引言 带隙基准源由于低温度系数的特性 , 被广泛应 用于各种模拟和混合信号电路系统中 , 例如在模数 转换器中 , 系统需要一个内部电压基准作为数据转 换的参考基准 , 且此电压基准源的精度和动态特性 会直接影响到模数转换器的静态和动态性能 。 一般常用的电压基准源都是单端输出参考电 [123] 压 。在高速模数转换器中 , 因为电压基准源处的 电源地线与子模数转换电路处的电源地线间会出现高 频噪声 , 而单端参考电压对此高频噪声没有抑制能 力 , 所以降低了电压基准源的抗噪声能力 , 因此 , 需 要设计差分电压基准源来提高参考源的抗噪声性能。 Nicollini 在文献[4]中提出了差分参考电压源的设 计方法 , 但是电路结构过于复杂 , 不适用于高速 ADC 。近年来许多大公司推出的高速高精度 ADC[527]都 无一例外地采用差分参考电压源作为内部参考电压基 准 , 可见在高性能模拟电路中差分电压源相对于单端 878 　 　半导体技术第 32 卷第 10 期

电压源有很大的优势。文献 [8] 中也提出了用于 ADC 的差分参考电压源 , 电路结构较简单实用 , 但不适用 于单片集成 ADC , 因为单片集成 ADC 一般都允许用 户选择内部参考电压源或外部参考电压源作为芯片的 基准电压源。本文提出了一种适用于单片集成高速流 水线 ADC 中的高性能差分基准电压源 , 通过电压放大 器和电流放大器把内部或外部单端参考电压转换为芯 片内的差分基准电压源。

2 　差分基准电压源 差分基准电压源的结构如图 1 所示 。 它包括带

图 1 　差分基准电压源

2007 年 10 月

应建华 　等 : 低功耗高抗噪性差分基准电压源的设计

隙电压 ( 带隙核 ) 、外部输入参考 V ref 、选择开关 S1 、输入缓冲器 、差分放大器 A 等电路模块 。差分

点的反馈系数比 V ref 到 b 点的反馈系数大 , 所以整 个闭环是负反馈 , 从而稳定了带隙核的工作状态 ,

基准电压源的工作原理为 : 带隙核产生低温度系 数 、高电源电压抑制比 ( PSRR) 、高稳定性的单端

使 a 点与 b 点电压相等 。此时可计算出 V ref 的大小 为 V ref = ( 1 + R4 / R5 ) ×{ VBET1 + [ ( R1 + 2 R adj ) V t ×

参考电压 ; 选择开关 S1 选通带隙核或外部输入参 考 V ref 中的一路作为输入单端参考电压到输入缓冲 器 ; 输入缓冲器实现了阻抗隔离作用 , 使输出阻抗 变小 , 从而增加了单端参考电压的驱动能力 ; 差分 放大器实现了单端参考电压到差分电压基准源的转 换 , 产生了模数转换器的两个内部差分参考电平 V refH和 V refL 。

ln N ]/ R3 }

( 3)

式中 : R1 = R2 ; N 为 T2 与 T1 的发射极面积之比 ; VBET1为 T1 管的基极2发射极电压差 ; V t 为热电压 。 通过参数优化 , 可使 V ref 的一阶温度系数为零 , 并 通过 R4 和 R5 的作用产生 115 V 的单端参考电压 V ref 。

设单端参考电压为 V ref , 差分放大器 A 的低频 增益为 AV ( 0) , 且 R1 = R3 , R2 = R4 , 则差分电压 基准是 V refcm = V refH - V refL = V ref ×R2 / R1 ×{ 1 - ( R1 + R2 ) / [ R1 ×AV ( 0) ]}

( 1)

式中 ( R1 + R2 ) / [ R1 ×AV ( 0) ] 是差分放大器 A 的增益误差项 , 所以要提高 V refcm 的精度 , 就需要 设计高低频开环增益的差分放大器 。 在模数转换器中 , 差分电压基准源会被用来驱 动 MDAC 电路中的电容负载 。对于处于重复充放电 状态的电容 , 它的特性可以等效为一个电阻[9 ] R eq = 1/ ( C ×f )

图 2 　产生单端参考电压的带隙核电路

( 2)

式中 f 为电容充放电的频率 。因为在高速模数转换 器中 MDAC 电路中电容的刷新频率很高 , 所以要求 差分电压基准源具有一定的电流驱动能力 , 即差分 放大器的驱动能力直接影响 MDAC 电路的精度 。因 此设计高开环增益和大电流驱动能力的差分放大器 就成为差分基准电压源的设计重点 。

3 　重点电路模块的设计 311 　带隙核

产生内部单端参考电压的带隙核电路如图 2 所 示 ( 启动电路未给出 ) 。此带隙核采用两管带隙结 构 ( T1 和 T2 ) ; Mp1～Mp4 、Mp6和 Mn1～Mn3组成三级 放大 器 , 稳 定 带 隙 核 的 静 态 工 作 点 ; Mn4 , Mn5 , Mp5和 R6 组成三级放大器的偏置电路 。

带隙核电路的工作原理为 : 三级放大器的同相 输入端是 b 点 , 反向输入端是 a 点 , 经过第一级放 大 , 从 c 点输出到第二级 , 第二级放大后从 d 点输 出到第三级 , 第三级输出端是 V ref , 因为 V ref 到 a October 　2007

单端参考电压 V ref 的电源电压抑制比是与放大 器的开环增益近似成正比的[2 ] , 所以采用三级放大 器能实现更高的电压抑制比 。三级放大器的环路稳 定需要补偿 , 因此在放大器输出端接一个 212 μF 的去耦电容 ( 芯片外接电容 ) , 使输出极点为环路 系统的主极点 。 312 　差分放大器

差分放大器直接影响着这个模数转换器的性 能 , 因此要设计低功耗 、高精度和大电流驱动能力 的差分放大器 。基于以上三点要求 , 本设计采用了 一种新颖的与常用差分放大器不同的拓扑结构 , 首 先采用双端输入单端输出的电压放大器对电压信号 进行放大 , 然后电压信号经过电流放大器转换为双 端输出 , 其电路结构图如图 3 所示 。 差分放大器包括三个电路模块 : 电压放大器 、 电流放大器 、共模反馈 。 Mp1～Mp5 , Mn1 , Mn2 组成了跨导放大器 , 是整

个差分放大器的电压放大级 ; V 1 , V 2 是差分对的 输入端 ; V b1 , V b3是偏置电压 , 可计算跨导放大器 Semiconductor Technology Vol132 No110 　879 　

应建华 　等 : 低功耗高抗噪性差分基准电压源的设计

AV = AV G ×AV V

( 8)

由上面的分析可知 , 通过设计高增益的电压放 大器 , 实现了高精度的性能 ; 通过电流放大器的 push2pull 差分输出级 , 同时达到了低静态电流和大 动态驱动电流的性能 ( 在常用的差分放大器中 , 静 态电流决定了输出摆率 , 因此要提高动态驱动能力 就需要增加静态电流 [9 ] ) , 实现了低功耗和大电流

图 3 　差分放大器电路结构图

的增益为 AV G = gm Mp1 ×ro

Mn2

( 4)

驱动能力 。因此采用电压放大器和电流放大器相组 合的差分放大器拓扑结构则实现高性能的差分基准 电压源 。 图 3 中的差分放大器有两个放大级 , 因此它的 环路也需要补偿 , 在 V refH 和 V refL 之间接一个去耦 电容 Cp ( 图 1 所示 ) , 使输出极点为环路的主极

式中 : gm Mp1是 Mp1 的跨导 ; ro Mn2 是 Mn2 的小信号

点 , 实现了环路稳定性 , 同时也抑制了高频噪声 。

源漏电阻 。为了实现高增益 , 在设计时要取 W/ L 很大的器件作为输入对管 ( Mp1 和 Mp2 ) , 并取长沟 器件作为负载对管 (Mn1和 Mn2 ) 。

4 　电路仿真

Mn3 , Mn4 , Mp6 , Mp7 , R 组成了 push2pull 结构

的电流放大器 , 通过输入管 Mn3 把前级电压信号转 换为电流信号 , 再通过 Mp7 与 Mp6 的电流镜被放大 , 形成上拉驱动电流 ; Mn4 直接把前级电压信号转换 为下拉驱动电流 。在模数转换器不工作时 , 流过 Mp7的上拉电流应该等于 Mn4的下拉电流 , 共模反馈

本设计在 XFAB 公司的 0135 μm CMOS 工艺上 实现 , 在 313 V 电源电压下 , 利用 Spectre 工具对差 分基准电压源电路进行仿真分析 。 选择带隙核电路产生的单端参考电压 V ref 作为 输入 , 式 ( 1) 所示差分电压基准 V refcm的温度系数 仿真曲线如图 4 所示。由图 4 可知在温度 - 40～80 ℃ 内 , V refcm的温度系数为 16 ×10 - 6/ ℃。

CMFB 电路通过 Mn5补偿由于工艺偏差所造成的 Mp7

与 Mn4电流的不相等 , 从而稳定差分输出 V refH 和 V refL 的共模电压 。当模数转换器工作时 , V refH 和 V refL要对 MDAC 中的电容进行充放电 , 由式 ( 2 )

可知 , 相当于在 V refH和 V refL 端接了一个负载电阻 , 模数转换器的采样频率越高 , 此负载电阻的阻值越 小 , 要求差分放大器的电流驱动能力越强 。设在模 拟转换器的最高采样频率下 , 等效负载为 RL max , 则此时需要的驱动电流为 I drive = ( V refH - V refL ) / RL max

( 5)

因此为了保证快的瞬态特性 , 要求电流放大器输出 级的动态驱动电流要大于 I drive 。 可计算电流放大器的电压增益为

图 4 　差分电压基准温度系数仿真曲线

( 6)

图 5 所示是差分电压基准 V refcm 对电源和地线 噪声的电源电压抑制比 ( PSRR ) 仿真曲线 。可知 V refcm对电源 ( 曲线 a ) 和地线 ( 曲线 b ) 噪声的

( 7)

PSRR 在低频时都大于 72 dB , 且由于去耦电容 Cp

式中 Z 是输出等效阻抗 。因此差分放大器的增益 为

的作用高频噪声被抑制 , 在 80 MHz 时 PSRR 为 160 dB , 实现了高抗噪性能 。

AV V = gm Mn3 ×( gm Mp7/ gm Mp6) ×Z

电流增益为 AV I = ( W/ L ) M n4 / ( W/ L ) M n2

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2007 年 10 月

应建华 　等 : 低功耗高抗噪性差分基准电压源的设计

文献 [ 4 ] 中的差分电压基准源在 ±5 V 电压下 静态 功 耗 是 415 mW , 本 设 计 在 313 V 电 压 下 , 27 ℃时静态功耗仅为 111 mW 。可见本设计的差分 电压基准源在满足高抗噪性 ( PSRR ) 的同时实现

了低功耗 、高精度的性能 。

5 　结论

图 5 　V refcm对电源 、地线噪声的 PSRR

选择外部参考电压作为输入 , 差分放大器的增 益误差仿真曲线如图 6 所示 , 可知放大器的增益误 差小于 2 mV , 满足模数转换器精度的要求 。

本文设计了一种适用于单片集成模数转换器的 差分电压基准源 , 达到了参考电压的高精度和高抗 噪性能 , 并采用了一种新颖的差分放大器拓扑结构 实现了电路的低功耗 。此差分电压基准源在 XFAB 公司的 CMOS 0135 μm 工艺上实现 , 测试结果为 : 温度系数为 25 ×10 - 6/ ℃, 抗噪性为 120 dB @80 MHz , 增益误差小于 2 mV , 验证了设计的正确性 。 参考文献 : [1 ] 何捷 ,朱臻 ,王涛 . 一种具有温度补偿的带隙基准源及其 输出缓冲器 [J ]. 微电子学 ,2001 ,31 (2) :1072111. [2 ] GIUSTOLISI G. A detailed analysis of power2supply noise attenuation in

bandgap

voltage

references [J ].

IEEE

Transactions on Circuits and Systems ,2003 (2) :1852197. [3 ] MEHRMANESH S ,VAHIDFA M B ,ASLANZADE H A ,et al. A 12volt ,high PSRR ,CMOS bandgap voltage reference [ C] ∥ IEEE International Symposium on Circuits and Systems. Bangkok ,India ,2003 :3812384.

图 6 　差分放大器的增益误差仿真曲线

[4 ] NICOLLINI G,SENDEROWICZ D. A CMOS bandgap reference

差分电压基准源的显微照片如图 7 所示 , 芯片 的尺寸是 1400 μm ×850 μm , 封装形式是 SOT23 。

for differential signal processing [J ]. IEEE Solid State Circuits , 1991 ,26 :41250. [5 ] AD94612162Bit , 130 MSPS IF Sampling ADC [ K] . USA : Analog Device Corporation ,2006. [6 ] LTC22202122Bit ,170Msps ADC [ K]. USA :Linear Technology Corporation ,2004. [7 ] ADS55252122BIT , 170 MSPS ADC with DDR LVDS/ CMOS outputs [ K] . USA :Texas Instruments Corporation ,2006. [8 ] 李丹 ,叶菁华 ,洪志良 . 一种用于模数转换器的高性能差 分参考电压源 [J ]. 半导体学报 ,2005 ,26 (11) :224822253. [9 ] GRAY P R , HURST P J ,LEWIS S H. Analysis and design of

图 7 　差分电压基准源显微照片

analog integrated circuits [M]. New York :John Wiley & Sons

测试结果与文献 [ 8 ] 中电路的性能比较如表 1

Inc ,2001 :21293. ( 收稿日期 :2007203222)

所示 。 作者简介 :

表 1 　差分电压基准源的性能比较

应建华 (1954 —) ,男 ,四川人 , 副教授 , 微电子学专业 , 目前主要

性能指标

本设计

文献 [ 8 ]

温度系数/ ( ×10 - 6・℃- 1) 抗噪性/ dB @80 MHz 增益误差 ( 精度) / mV

25

95

120

80

<2

8

October 　2007

从事数模混合集成电路的科研与教学工作 ; 王洁 (1983 —) ,女 ,山西太原人 ,硕士研究生 ,主要从事模拟集成 电路的研究 。

Semiconductor Technology Vol132 No110 　881